théorie de grande unification

L'interprète sursaute au moindre bruit dans la salle — et une réunion d'une heure s'étire sur deux. Une étoile à neutrons comprime la masse du Soleil dans une sphère de la taille d'une ville, et la matière en son cœur est plus dense que le noyau atomique. Les physiciens ne peuvent pas vérifier sa structure en laboratoire : la pression requise est impossible à créer.

Un miroir ordinaire échange la gauche et la droite. Beaucoup de lois de la physique ignorent cette substitution : elles sont symétriques par réflexion. Mais certains phénomènes, comme l'interaction faible, brisent cette symétrie.

Le cosmos est en expansion, et cette expansion s'accélère. Mais que se passerait-il si, dans les premiers instants après le Big Bang, la gravité agissait différemment ? Les auteurs de cette nouvelle étude ont ajouté aux équations d'Einstein un champ invisible qui capte l'énergie de la matière et du rayonnement ordinaires.

Un interprète sursaute au moindre bruit dans la salle — et une réunion d'une heure s'étire sur deux. Une intonation de travers et le sens change du tout au tout. C'est à peu près ce que vit une particule de spin 3/2 — le gravitino. Elle ne peut pas exister en solitaire : son « discours » doit être parfaitement accordé à son environnement, sinon tout l'édifice s'effondre.

Le plan technique d'un gratte-ciel comporte toujours un chiffre : la charge maximale sur les fondations — disons 500 kilopascals. Les équations d'Einstein dans un espace-temps courbe imposent une limite similaire à la « charge de force » à l'intérieur des étoiles, des planètes et de tout autre amas de matière.

Les calculs quantiques rappellent souvent l'assemblage d'un mécanisme complexe : le physicien sait que la pièce va s'emboîter, mais il ne peut pas toujours expliquer pourquoi. L'une des astuces favorites consiste à insérer au milieu de la formule une « unité », mais pas une unité ordinaire : une unité composée d'un ensemble infini de tous les états possibles du système.

Un manège ne se contente pas de vous faire tourner en rond — à chaque tour, il s'enfonce aussi légèrement dans le sol. Ce mouvement, semblable à celui d'un tire-bouchon, est précisément l'essence de la charge NUT, une propriété particulière de l'espace-temps que les physiciens étudient depuis le milieu du siècle dernier.

Les trois premières minutes après la naissance du monde : une cuisine cosmique où la nature a préparé les noyaux atomiques les plus légers. La recette est dictée par la gravité : elle contrôle le rythme de refroidissement du « bouillon » chaud de particules.

Un flocon de neige grandit, une nappe de pétrole s'étale, une foule se déplace – les équations diffèrent pour chaque cas. Mais le résultat final est souvent le même : la forme, la vitesse, le motif obéissent à un schéma simple qui se répète à différentes échelles. C'est cela, l'universalité : derrière les détails se cache une loi commune.

En physique quantique, il existe des théories où tout obéit à des proportions nettes — comme un rythme musical qui revient toujours au début de la mesure. Mais il existe aussi des théories « irrationnelles », où le rythme se brise et où il est presque impossible de prédire le prochain battement.

Un objet ne peut pas être un point. Du moins, pas dans la gravité d'Einstein. Les équations de la relativité générale exigent que la source du champ — la matière — soit étalée dans l'espace, et non concentrée dans un volume infiniment petit.

La gravité est généralement expliquée par la courbure de l'espace-temps. Les corps massifs le déforment, comme une boule de bowling sur une membrane en caoutchouc tendue. Mais cette approche a deux jumeaux moins connus.

Dans le monde microscopique, les forces à longue portée — la gravité ou l'électricité — ne s'éteignent jamais, même à de très grandes distances. Ainsi, toute particule traîne derrière elle un sillage de photons ou de gravitons mous (c'est-à-dire de très basse énergie). Ce sillage est appelé « vêtement » : sans lui, les calculs s'effondrent, des infinis apparaissent.

Dans le jeune Univers brûlant, comme dans une salle de bal surpeuplée, tournoyaient les monopôles magnétiques — des particules solitaires portant soit un pôle nord, soit un pôle sud. Dans un aimant ordinaire, les pôles vont toujours par paires, mais ici chacun est seul.

Trois flotteurs sur l'eau se balancent de manière chaotique. Mais trois atomes d'hélium refroidis presque au zéro absolu se comportent autrement, comme s'ils obéissaient à une loi de similitude invisible. Leur attraction mutuelle est si faible que les atomes forment un nuage diffus.

À l'intérieur du proton, ça bouillonne. Les quarks n'y sont pas simplement assis — ils sont collés par des particules messagères, les gluons (du mot anglais glue — colle). D'habitude, cette colle est étalée uniformément, comme du beurre sur une poêle. Mais quand les énergies deviennent énormes, les gluons commencent à se regrouper en amas.

Un café chaud posé sur la table refroidit : la chaleur se propage du centre chaud vers les bords. C'est à peu près ce que font, selon les auteurs, l'univers lui-même – mais à l'échelle de milliards d'années-lumière.

Une courtepointe en patchwork, où chaque pièce est un minuscule nœud quantique obéissant à des règles mathématiques strictes. Les physiciens ont pris de nombreux nœuds identiques et ont commencé à les coudre de toutes les manières possibles. Ils ont obtenu des formes tridimensionnelles, allant de simples sphères à d'ingénieux beignets troués.

Un éclair fend le ciel en une fraction de seconde, laissant une trace ramifiée. Au même instant, dans un minuscule cristal supraconducteur refroidi presque au zéro absolu, une avalanche de champ magnétique déferle : de fins doigts d'aimantation transpercent le matériau.

Un glaçon dans un verre d'eau ne flotte pas simplement : il est poussé. Les molécules d'eau le bombardent de toutes parts, et ce bombardement engendre une force mesurable. En physique, il existe une force analogue, mais elle n'agit pas sur la glace : elle s'exerce sur tout ce qui possède une masse, et elle ne naît pas de l'agitation moléculaire, mais de l'information. On l'appelle force entropique.

Parfois, les équations cachent un intrus — comme une planche de parquet qui grince et ne laisse pas la maison tranquille. En théorie de la gravité, si l'on ajoute aux équations les carrés de la courbure (ce qui est nécessaire pour décrire des champs très intenses), une particule fantôme apparaît — lourde, mais avec une énergie négative.

Une pierre tombe dans un étang, et des cercles se propagent dans toutes les directions. C'est à peu près ainsi qu'un corps massif crée des ondulations dans l'espace-temps. Seulement, ce n'est pas l'eau qui vibre, mais le tissu même de la réalité, et au lieu de cercles, ce sont des ondes gravitationnelles.

Les équations d'Einstein et le modèle de Lemaître conduisaient à un Univers né d'un point infiniment dense — la singularité du Big Bang. En ce point, la physique habituelle s'effondrait, laissant le mystère du premier instant.

Selon des théories qui vont au-delà du modèle standard, dans les tout premiers instants après le Big Bang, des paires de monopôles magnétiques — des particules avec un seul pôle magnétique — auraient été créées. Elles se seraient retrouvées aux extrémités d'une corde cosmique, un fil d'énergie pure.

Les astronomes, dont Vera Rubin, ont remarqué que les étoiles à la périphérie des galaxies tournent plus vite que ne le permet la masse visible. Pour l'expliquer, on a inventé la matière noire — un lest invisible. Mais on peut supposer autre chose : la gravité n'est pas toujours identique.

Deux particules peuvent devenir liées de telle sorte qu'une poussée sur l'une se répercute instantanément sur l'autre, même si des galaxies les séparent.

Dans les premiers instants après le Big Bang, l'espace s'est étendu à une vitesse prodigieuse. Une infime ondulation quantique, inscrite dans le principe d'incertitude lui-même, repoussait la matière plus fort que toute force connue. Cette ondulation, c'est le principe d'incertitude généralisé, ou GUP.