masse de Planck

Le gâteau en couches de disulfure de molybdène MoS2 repose sur la paillasse du laboratoire. On le prépare de la manière habituelle : un ruban adhésif arrache les couches supérieures pour obtenir un échantillon mince. Mais sous le ruban subsiste une cavité invisible, où les étages atomiques ne sont plus pressés les uns contre les autres.

Au cœur d'une étoile à neutrons, la matière est si comprimée qu'une cuillère à café pèse un milliard de tonnes. On pourrait croire qu'il n'y a pas de meilleur endroit pour chercher des traces de gravité quantique. Mais entre le laboratoire et l'échelle fondamentale, il y a un gouffre de 10⁸⁰ en densité. Trois portes mènent à cette pièce.

Au cœur de presque chaque galaxie se cache un trou noir supermassif. Sa gravité est si puissante qu'elle déforme l'espace lui-même. Mais peu de gens se demandent : que fait-elle à la trame même de la réalité, aux champs qui imprègnent le cosmos ? L'un de ces champs est le champ de Higgs.

Dans un univers bidimensionnel, un trou noir ressemble à un entonnoir dans l'espace-temps. Mais les auteurs de la nouvelle étude sont allés plus loin : ils ont supposé que l'espace où « vivent » les impulsions des particules est lui aussi courbé — comme une selle.

Le plasma n'est pas simplement un gaz chaud, mais tout un orchestre de particules chargées où chaque groupe joue sa partition. Les ions lourds (atomes ayant perdu des électrons) donnent le rythme lent, tandis que les électrons légers se précipitent dix mille fois plus vite.

Le rayonnement fossile n'est pas qu'une faible lueur à 2,7 K. C'est une photographie de l'Univers 380 000 ans après le Big Bang, lorsque le plasma primordial est enfin devenu transparent à la lumière. Mais pour les physiciens théoriciens, ce qui s'est passé encore plus tôt est bien plus intéressant.

Un trou noir dans les manuels ressemble à une sphère parfaitement lisse : tout ce qui se trouve à l'extérieur s'échappe tranquillement vers l'infini. Cependant, la théorie quantique de la gravité dresse un autre tableau.

L'espace dans lequel nous vivons semble tridimensionnel. Mais lorsque les physiciens tentent de réconcilier la gravité avec la mécanique quantique, les dimensions habituelles commencent à se comporter étrangement.

L'Univers primordial ressemblait à une salle surpeuplée où des particules lourdes entraient en collision et se désintégraient à un rythme effréné. Parmi elles, il pouvait y avoir des leptoquarks scalaires — des particules qui s'accrochent à la fois à un quark (la brique de la matière) et à un lepton (par exemple, l'électron).

Un orchestre parfaitement réglé, où chaque instrument est accordé avec une précision irréprochable, tente de jouer dans une salle bruyante. Ce bruit, c'est la gravité quantique, l'ondulation de l'espace-temps à l'échelle microscopique. Elle ne cesse de menacer de déstabiliser les musiciens.

Deux sphères massives s'éloignent lentement dans le vide. Du point de vue de la mécanique ordinaire, rien de particulier. Mais les équations d'Einstein disent autre chose : des masses accélérées ébranlent l'espace lui-même, et d'elles se propagent des ondes gravitationnelles – une ondulation qui étire et comprime tout sur son passage.

L'Univers est rempli de matière noire invisible. Comme une goutte d'eau qui, en s'évaporant, laisse un cristal de sel, un trou noir peut s'évaporer en laissant derrière lui un résidu stable minuscule. Cette idée a été développée par Stephen Hawking et Jacob Bekenstein.

Un graviton isolé – le quantum de l'espace-temps – est incroyablement faible. Pour des détecteurs comme LIGO, conçus par Rainer Weiss et ses collègues, les effets quantiques sont supprimés d'un facteur 10⁻³⁸ : c'est comme essayer d'entendre un grain de sable tombant…

Les détecteurs modernes d'ondes gravitationnelles confirment que les trous noirs sont une réalité. L'espace-temps peut être comparé à un trampoline géant : les étoiles massives le creusent.

Le principe faible d'équivalence, testé tacitement depuis Galilée et fondement de la relativité générale, affirme que tous les corps tombent de la même manière, quelle que soit leur structure interne.

La lumière est un flux de photons, et en temps normal, un photon n'a pas de moment magnétique : il n'est pas dévié par un aimant comme le sont les copeaux de fer.

Les trous noirs primordiaux se comportent comme des bouilloires en ébullition : en s'évaporant, ils sifflent en émettant des ondes gravitationnelles. La nature du sifflement — son spectre — dépend de la relation entre la température du trou et sa masse.

Un grain de poussière dans le milieu interstellaire est comme une boussole miniature. À l'intérieur se trouvent des inclusions d'un minéral magnétique qui forcent le grain à s'aligner le long des lignes de force invisibles du champ magnétique.

La gravité attire toujours — la pomme tombe, les planètes tournent sur leurs orbites. Mais en plaçant la source de courbure de l'espace-temps à deux endroits à la fois, on peut obtenir l'inverse. Des physiciens proposent une expérience : un corps massif est placé dans un état quantique, étalé dans l'espace comme un nuage.

Dans un laboratoire silencieux, sur une table, se trouve un appareil de la taille d'un micro-ondes. À l'intérieur, une bobine glisse doucement de haut en bas tandis qu'un ordinateur enregistre les signaux électriques. Voilà à quoi ressemble la version de table de la balance de Kibble, un dispositif qui relie la masse aux constantes quantiques.

Le faisceau d'électrons frappe le proton comme une boule de billard en heurte une autre. Mais entre eux, ce n'est pas le vide : les particules ont le temps d'échanger des photons virtuels et des bosons Z, comme des joueurs qui se passent le ballon dans le dos.

Deux grandes théories décrivent la réalité : l'une explique comment les corps massifs provoquent la courbure de l'espace-temps, l'autre, le modèle standard, régit les particules élémentaires. Les concilier semble impossible, comme tenter de décrire une tempête océanique avec le langage d'un réseau cristallin.

Dans les premiers instants après le Big Bang, l'Univers a connu une expansion rapide : l'inflation. Mais peut-être qu'avant cela, il se contractait, puis a rebondi. Les deux scénarios laissent une empreinte presque identique dans le rayonnement fossile, et les cosmologistes débattent depuis des décennies pour savoir lequel est le bon.

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.