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Huit façons dont la physique a changé depuis que vous étiez au lycée

Il est temps de faire le point : l’école fait son retour !

Vous souvenez-vous de l’époque où les dinosaures n’avaient pas de plumes et où Pluton était une planète ? C’est de la science dépassée maintenant, et il y a une certaine nostalgie attachée à ces souvenirs.

Mais suivre les dernières découvertes nous amène à poser des questions plus importantes et de meilleure qualité. Donc, si vous avez décroché depuis quelques décennies, il est temps de vous remettre à niveau. Voici quelques façons dont la physique a changé depuis que vous étiez au lycée.

1. L’univers ne disparaîtra probablement pas dans un Big Crunch (grande contraction en français).

Les scientifiques spéculent sur la fin de l’univers depuis des années, et nous avons maintenant exclu cette hypothèse avec une certitude raisonnable. Le Big Crunch, dans lequel la gravité ramènerait l’univers à sa singularité initiale, a été une théorie de premier plan pendant la majeure partie du XXe siècle. Ce n’est plus le cas actuellement. La découverte de l’énergie noire – une source d’énergie observée pour la première fois en 1998 – nous a appris que l’expansion de l’univers s’accélérait. La gravité ne sera pas assez forte pour l’inverser.

Aujourd’hui, la plupart des cosmologistes s’attendent à ce que l’univers s’étende à jamais. Dans ce scénario, toute l’énergie utilisable dans l’univers finit par se dissiper dans ce qu’on appelle le Big Freeze (ou « mort thermique de l’univers »).

L’anéantissement cosmique pourrait également prendre d’autres formes : si les effets expansionnistes de l’énergie noire augmentent plutôt que de rester constants, cela pourrait séparer l’univers au niveau atomique, dans un événement appelé le Big Rip.

Ou alors, l’univers pourrait simplement s’effondrer, en raison d’un phénomène appelé désintégration du faux vide.

La décomposition du vide est unique parmi ces scénarios en ce sens qu’elle est inobservable : un être quasi-immortel pourrait regarder la mort thermique de l’univers (ce qui serait très ennuyeux) ou assister à l’approche du Big Crunch (ce qui serait effrayant). Mais il ne verrait pas la désintégration du vide venir, car la désintégration se propage à la vitesse de la lumière.

Si le destin final de l’univers vous empêche de dormir la nuit, vous n’êtes pas les seuls, mais au moins rassurez-vous en sachant que le Big Crunch n’est pas probable. Vous pouvez canaliser votre peur existentielle ailleurs.

2. La constante cosmologique pourrait ne pas être constante.

Primefac, CC BY-SA 3.0 

Même après avoir discrédité le Big Crunch, l’expansion accélérée de l’univers n’a pas fini de réécrire les manuels de physique. Au cours des dernières années, elle a engendré un nouveau mystère astronomique. Dramatiquement surnommée la « crise de la cosmologie », elle donne des maux de tête aux physiciens du monde entier.

En fait, il s’agit moins d’une crise que d’un puzzle qui fait palpiter les chercheurs. Si nous le résolvons, cela pourrait simplement aider à combler certaines des lacunes dans notre compréhension de l’univers. Voici ce que vous devez savoir :

La constante cosmologique (ou Hubble) est une mesure de la vitesse à laquelle les galaxies s’éloignent de nous : plus elles s’éloignent, plus elles semblent se déplacer rapidement. Cela indique que l’univers est en expansion et que l’expansion s’accélère.

Les théoriciens s’attendaient à ce que la constante de Hubble soit un nombre unique et immuable. Mais l’univers semble dire le contraire. Il existe deux façons de mesurer la constante, et toutes deux donnent des réponses plutôt éloignées.

Les mesures qui utilisent le rayonnement du fond cosmique de micro-ondes – la lumière résiduelle de l’univers primitif, imagée par le vaisseau spatial Planck de l’Agence spatiale européenne entre 2009 et 2013 – donnent un taux d’environ 67,7 (km/s)/Mpc. Alors que les mesures qui utilisent des supernovas de type 1a (ce sont des chandelles standard, ce qui rend les mesures de distance entre elles merveilleusement précises) donnent un taux de 73 (km/s)/Mpc. Les astronomes ont mis au point plusieurs méthodes de mesure alternatives, mais aucune ne résout le problème.

L’une des mesures est-elle incorrecte ? Peut-être, mais toutes deux ont été vérifiées plusieurs fois. Il est de plus en plus probable que nous ne comprenions pas quelque chose de fondamental à propos de la nature du cosmos, et les implications de cela sont intrigantes. Peut-être que l’accélération de l’univers est plus rapide maintenant qu’elle ne l’était dans l’univers primitif. Peut-être que l’énergie noire n’est pas constante. Peut-être avons-nous besoin d’une nouvelle théorie de la gravité. Ou peut-être qu’il y a un facteur tout à fait différent que nous n’avons pas encore pris en compte. Il s’agit d’un casse-tête, et le reconstituer sera essentiel pour comprendre comment l’univers fonctionne sur de plus grandes échelles.

3. L’informatique quantique n’est pas l’avenir. C’est le présent.

En 1994, Peter Shor, un mathématicien appliqué qui travaille à Bell Labs, a démontré que dans certains scénarios, les ordinateurs quantiques pourraient considérablement surpasser les ordinateurs classiques. Depuis lors, il y a eu un effort mondial pour faire de l’informatique quantique une réalité. Et nous y sommes.

Les meilleurs superordinateurs quantiques d’aujourd’hui peuvent faire des choses impressionnantes. Par exemple, ils sont utiles aux chercheurs qui étudient les frontières entre la physique quantique et la physique classique. Ils peuvent simuler des effets quantiques dans des matériaux de matière condensée et aider les chimistes à étudier le comportement de nouveaux composés. Les ordinateurs quantiques améliorent également la mesure quantique (appelée métrologie), un outil utilisé dans les capteurs de précision et les appareils de soins de santé.

L’analyse de rentabilisation de l’informatique quantique se développe également pour résoudre des problèmes d’optimisation tels que les stratégies de livraison du dernier kilomètre pour les entreprises de transport maritime et fournir de nouveaux outils d’analyse pour le monde de la finance.

L’informatique quantique a mûri. Ce qu’elle est capable de faire aujourd’hui est bien en avance sur les ordinateurs quantiques d’il y a une décennie, et on ne sait pas ce qu’elle sera en mesure d’accomplir au cours de la prochaine.

Le principal défi de l’informatique quantique est maintenant de rendre les systèmes quantiques plus stables. L’informatique quantique repose sur l’intrication (par laquelle deux particules sont connectées de telle sorte que la mesure d’une particule vous indique quelque chose sur l’autre instantanément). Cependant, l’intrication est notoirement fragile, car les interférences du monde extérieur peuvent entraîner la rupture de l’intrication via un processus appelé décohérence. Des recherches sont en cours pour trouver de meilleures méthodes pour traiter la décohérence et le « bruit » quantique, un domaine d’étude connu sous le nom de correction d’erreur quantique.

Avec une meilleure correction des erreurs, l’informatique quantique pourrait révolutionner les simulations à grande échelle et avoir de vastes implications pour la cryptographie et la cybersécurité. (En attendant, évitez peut-être d’utiliser qwerty123 comme mot de passe.)

4. « C’est de la téléportation, Jim, mais pas telle que nous la connaissons. »

NBC Television, Public domain, via Wikimedia Commons

La téléportation quantique est réelle. Les théoriciens ont d’abord proposé la possibilité en 1993. Quatre ans plus tard, des groupes de recherche dirigés par les physiciens Sandu Popescu et Anton Zeilinger l’ont réalisé en laboratoire. Depuis lors, les scientifiques ont testé la téléportation quantique sur des distances de plus en plus longues.

Contrairement aux représentations de science-fiction, la téléportation quantique déplace l’information plutôt que les objets physiques. Il s’agit comme d’un télécopieur quantique. (Certaines personnes continuent à utiliser cet appareil ? Disons plutôt un e-mail. Il s’agit comme d’un e-mail quantique.)

Pour être plus précis, la téléportation quantique est une extension de l’intrication. Imaginez deux personnes, Alice et Bob. Chacun possède une des deux particules d’une paire intriquée. Alice possède également une troisième particule, dont elle veut partager l’état quantique avec Bob. Grâce à une série de mesures, Alice peut reproduire avec précision l’état de sa troisième particule sur la moitié de la paire intriquée qui correspond à Bob. Dans le processus, la troisième particule d’Alice sera transformée dans un nouvel état, ce qui a pour effet que seul Bob possède maintenant les informations quantiques qu’Alice avait avant cela.

La téléportation quantique ne fonctionne pas plus vite que la lumière. Le processus exige toujours qu’Alice indique à Bob, via des canaux de communication subluminiques normaux, quelle mesure quantique il doit effectuer pour recevoir l’information. Cependant, le principe de la téléportation quantique en fait un nouvel outil palpitant avec des applications dans l’informatique quantique.

5. Le ciel nocturne a changé (et change continuellement).

En 2007, les astronomes ont trouvé une nouvelle impulsion radio mystérieuse provenant du ciel nocturne, différente de tout ce que quiconque avait vu auparavant. Puis ils en ont trouvé d’autres. Certaines étaient des événements ponctuels. D’autres se répétaient à intervalles réguliers. Tous ces signaux étaient déroutants. Ils sont appelés sursauts radio rapides (FRB), et dans les années qui ont suivi, des instruments comme le télescope CHIME du Canada en ont détecté des centaines.

De nos jours, nous savons enfin ce que sont au moins certains d’entre eux. En 2020, les astronomes ont trouvé un FRB dans notre propre galaxie qui correspond à un magnétar connu : une étoile à neutrons à rotation rapide avec un champ magnétique puissant. Donc, nous savons que certains FRB proviennent de magnétars. Mais l’affaire n’est pas encore close, car certains FRB ne correspondent tout simplement pas à l’hypothèse du magnétar. Les astronomes cherchent toujours à expliquer ces valeurs aberrantes.

La chasse aux FRB fait partie du domaine croissant de l’astronomie transitoire : l’étude des phénomènes qui changent dans le ciel nocturne sur de courtes périodes (astronomiquement parlant). Vous pouvez vous attendre à beaucoup plus de nouvelles de l’astronomie transitoire dans les années à venir. CHIME est en cours d’extension et d’amélioration, et d’autres nouveaux observatoires radio, comme le Square Kilometer Array, sont en cours d’élaboration. L’astronomie optique transitoire est également sur le point de connaître un grand essor, avec la mise en service prochaine du tout nouvel observatoire Vera Rubin. Il balaiera la majeure partie du ciel nocturne tous les quelques jours pour capturer tout ce qui bouge ou change. Une vraie course folle.

6. Nous fabriquons de nouveaux matériaux (super) cool.

Peter nussbaumer, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

La science des matériaux a considérablement progressé au cours des dernières décennies, grâce aux contributions de la physique de la matière condensée. En 1995, la découverte du premier condensat de Bose-Einstein a ouvert cette voie. Ce matériau sous-refroidi rend apparents les effets quantiques aux niveaux macroscopiques : l’ensemble du condensat agit comme un atome unique géant. Plutôt cool.

En 2004, les chercheurs ont isolé un autre nouveau matériau palpitant. Connu sous le nom de graphène, ce matériau extrêmement résistant et léger n’est qu’une couche d’atomes d’épaisseur, ce qui en fait un excellent matériau pour les semi-conducteurs et l’électronique.

La physique de la matière condensée en a également révélé davantage sur la science des transitions de phase, comme la fonte de la glace en eau ou le magnétisme qui émerge du fer. « Émergence » fait référence aux caractéristiques qui se manifestent dans un matériau entier et qui ne sont pas expliquées par les caractéristiques des atomes ou des molécules individuels, comme le magnétisme, la couleur, l’élasticité, la chaleur ou la conductivité électrique.

Un comportement émergent particulièrement attrayant est celui de la supraconductivité, c’est-à-dire la propriété de conduire l’électricité avec une résistance nulle. Elle n’émerge qu’à des températures extrêmement froides, bien que des recherches récentes aient rendu possible la supraconductivité à des températures de plus en plus élevées. Actuellement, les meilleurs supraconducteurs haute température fonctionnent de manière fiable à environ – 135 °C.

D’autres nouvelles découvertes dans la matière condensée comprennent des liquides de spin, qui présentent des effets quantiques à longue portée, et des cristaux temporels, dont les états fondamentaux oscillants créent un mouvement sans énergie. Aujourd’hui, la matière condensée est le plus grand sous-domaine de la physique, et il est facile de comprendre pourquoi. Il relie la théorie à la pratique et sous-tend de nombreuses technologies émergentes.

7. Les neutrinos ont une masse (et nous pouvons les utiliser comme des télescopes).

Les neutrinos sont parmi les particules les plus intrigantes du Modèle Standard. Ils se déclinent en trois « saveurs » et n’interagissent presque pas avec quoi que ce soit. Des milliards de neutrinos vous traversent chaque seconde, presque à la vitesse de la lumière.

Ce « presque » est important. S’ils se déplaçaient à la vitesse de la lumière, ils seraient sans masse, comme les photons. Mais au tournant du XXIe siècle, des chercheurs japonais et canadiens ont découvert que les neutrinos peuvent changer d’une saveur à l’autre, ce qui n’est possible que s’ils ont une masse (et si chaque saveur a une masse différente).

Les physiciens ne sont toujours pas tout à fait sûrs de la raison pour laquelle les neutrinos ont une masse. Cela ne semble pas être dû à des interactions avec une particule appelée le boson de Higgs, d’où d’autres particules obtiennent leur masse. En effet, à notre connaissance, les neutrinos ne se présentent que dans une version gauchère (ils ne tournent que dans une seule direction). Ils auraient besoin d’un homologue droitier pour interagir avec le Higgs. Les chercheurs n’ont toujours pas déterminé s’il existe des neutrinos droitiers. Pour le moment, il n’y en a aucun signe nulle part.

En attendant, les neutrinos nous sont utiles. Ils offrent une fenêtre unique sur l’univers, qui contribue à lancer un tout nouveau domaine d’étude connu sous le nom d’astronomie multimessager. Nous n’avons plus à nous fier uniquement au spectre électromagnétique (lumière visible, ondes radio, rayons X, etc.) pour étudier le ciel nocturne. Au lieu de cela, d’autres « messagers », comme les neutrinos ou les rayons cosmiques (protons et neutrons), nous enseignent des choses que les photons ne peuvent tout simplement pas révéler. Par exemple, l’été dernier, les astronomes ont utilisé le détecteur de neutrinos IceCube en Antarctique pour cartographier les sources de neutrinos dans la Voie lactée, et ont présenté une image de notre galaxie comme nous ne l’avions jamais vue auparavant.

8. Nous avons confirmé certaines grandes idées théoriques.

Parfois, les physiciens ont raison ! Trois des plus grandes idées de la physique récente étaient des confirmations dramatiques des théories existantes. Fermons donc cette liste avec trois façons dont les manuels n’ont pas besoin d’être réécrits.

Tout d’abord, le Grand collisionneur de hadrons du CERN a trouvé le boson de Higgs. Cette particule est la pièce de résistance du Modèle Standard de la physique des particules. C’est le mécanisme qui donne une masse à d’autres particules (à l’exception de ces neutrinos intrigants). Les physiciens ont prédit l’existence du boson de Higgs dans les années 1960, bien que la preuve n’ait été obtenue qu’en 2012, lorsque le Grand collisionneur de hadrons a détecté la particule pour la première fois.

Deuxièmement, le LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) a détecté directement des ondes gravitationnelles pour la première fois en 2015. Einstein a prédit ces ondulations dans l’espace-temps il y a plus d’un siècle dans sa théorie de la relativité générale. Comme les neutrinos, les ondes gravitationnelles sont un autre nouveau messager de l’astronomie multimessager et elles offrent une ressource inexploitée avec laquelle étudier l’univers. Avec LIGO, nous pouvons observer les collisions de trous noirs et d’étoiles massives via leurs effets gravitationnels, pas seulement leur rayonnement. D’autres techniques de détection des ondes gravitationnelles ont également fait des progrès incroyables, comme le réseau de synchronisation des pulsars NANOGrav, qui, en 2023, a révélé un « bourdonnement » cosmique des ondes gravitationnelles dans les basses fréquences au-delà de ce que LIGO est conçu pour détecter.

Troisièmement, en 2019, la collaboration Event Horizon Telescope (EHT) a dressé l’image d’un trou noir pour la première fois. À l’aide d’une méthode appelée interférométrie à très longue base, l’EHT a relié des télescopes du monde entier pour créer un radiotélescope virtuel de la taille de la planète. Cela leur a permis de capturer des images du disque d’accrétion tourbillonnant entourant un trou noir supermassif au centre de la galaxie M87, ainsi que des images du trou noir central de notre propre galaxie. Les techniques de l’EHT n’ont pas cessé d’être améliorées que depuis lors, nous pouvons donc nous attendre à des observations plus détaillées des trous noirs dans les années à venir.

Beaucoup de choses ont changé depuis que vous avez fini l’école, n’est-ce pas ? Cette liste n’est qu’un avant-goût des révisions et des révolutions en cours dans le domaine de la physique. Plein d’autres ont fait des vagues, de l’holographie à la théorie des cordes, de l’inférence causale à la chromodynamique quantique et des théories quantiques des champs à la matière noire. Tout change continuellement !

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