[MUSIQUE] [MUSIQUE] [MUSIQUE] Peut-on comprendre facilement la structure et l'évolution de l'Univers, depuis notre échelle, jusqu'aux plus grands amas de galaxies? Les physiciens ont appris à décrire en utilisant quatre forces fondamentales, qui agissent sur la matière qui nous entoure et qui nous constitue. Deux de ces forces sont bien connues. La gravitation, qui structure l'Univers à grande échelle, et à laquelle sont soumises toutes les particules, et l'interaction électromagnétique qui s'exerce entre particules électriquement chargées. Deux autres interactions existent, mais ne se manifestent qu'à de très courtes distances, à l'échelle des noyaux atomiques. L'interaction forte, qui assure la cohésion des noyaux atomiques, et l'interaction faible, à l'œuvre dans la transformation radioactive de certains noyaux. Ces deux forces sont très importantes pour expliquer l'infiniment petit, ainsi que les réactions nucléaires qui font briller les étoiles, mais elles n'ont pas de rôle à des distances plus grandes que celles des atomes. Revenons donc sur les deux interactions capables de se propager sur de très grandes distances et qui nous permettent de décrire l'Univers à grande échelle : la gravitation et l'électromagnétisme. Commençons tout d'abord par l'électromagnétisme. Les photons sont des grains de lumière que nos yeux détectent afin de voir le monde autour de nous, mais ce sont aussi et surtout des messagers qui véhiculent l'interaction électromagnétique. Par exemple, si nous zoomions très fortement sur la matière, nous verrions qu'un atome est formé d'un noyau, possédant une charge positive, entouré d'électrons, de charge négative. Électrons et noyau s'attirent via l'échange de photons qui jouent le rôle de médiateur de cette force. Ce processus d'échange de photons est également celui qui est en jeu pour la formation des molécules qui nous composent, et composent le monde qui nous entoure. C'est la force électromagnétique qui lie les molécules entre elles et structure, à petite échelle, l'ensemble de la matière dans l'Univers. Un univers sans force électromagnétique se dissoudrait dans une soupe sans cohérence ni structure. La force électromagnétique n'a pas seulement pour rôle de lier les composants fondamentaux entre eux, mais également de rendre solide les objets qui nous entourent, même si nous savons qu'ils sont essentiellement faits de vide. En effet, quand vous touchez la surface d'un objet, ce sont une fois de plus les forces électromagnétiques qui sont en jeu. Les électrons de chaque atome de nos doigts se rapprochent des électrons des atomes de l'objet que nous touchons et se repoussent parce qu'ils sont tous les deux chargés négativement. Ces forces empêchent notre doigt de pénétrer l'objet en question. C'est le même mécanisme qui nous empêche de traverser le sol. Et c'est justement l'ensemble des répulsions électromagnétiques de chacun de nos atomes qui résiste à l'attraction gravitationnelle de la terre entière sous nos pieds. En effet, la force électromagnétique domine la gravité, à l'échelle atomique. Mais parlons maintenant de la gravité, justement. Newton a proposé, au XVIIe siècle, une première théorie de la gravité. Dans la théorie newtonienne, la force gravitationnelle est une attraction instantanée entre deux corps massifs. Elle est proportionnelle aux produit des masses des deux corps, et inversement proportionnelle au carré de leur distance. Cette image a dominé notre vision de l'espace pendant plus de deux siècles ; avec de grands succès, pour prédire le mouvement des planètes dans le système solaire, et des étoiles dans les galaxies. Elle a même permis de découvrir Uranus et Neptune en étudiant leur attraction gravitationnelle sur d'autres planètes du système solaire. Dans l'approche newtonienne on ne comprend toutefois pas pourquoi la masse gravitationnelle qui apparaît dans la loi de gravitation de Newton doit être la même que la masse inertielle m, qui apparaît dans l'équation du mouvement qui décrit la force F que j'ai besoin d'appliquer à un objet de masse M afin de lui communiquer une accélération a. En 1907, deux ans après sa magnifique théorie de la relativité restreinte, Einstein veut unifier ces deux aspects de la masse dans une description cohérente. Il aboutit à une nouvelle théorie de la relativité. Spécialiste de ce qu'il appelait des expériences de pensée, Il imagine une personne, Albert, en accélération dans un ascenseur, plongé dans le vide spatial. Albert sent une attraction vers le plancher, due à l'accélération de l'ascenseur. Einstein remarque alors que si l'ascenseur n'avait pas de fenêtre Albert serait incapable de dire s'il était en accélération dans l'espace ou au repos sur une terre, dans le champ de pesanteur de celle-ci. En effet, si Albert laisse tomber une pomme dans les deux cas, celle-ci tomberait à ses pieds de la même façon. Aucune expérience physique ne peut lui faire distinguer les deux situations. C'est ce qu'Einstein appelle le principe d'équivalence, l'effet de la gravité et l'effet de l'accélération sont des effets équivalents, indiscernables. Il doit donc avoir une théorie unique de la gravitation et de l'accélération. C'est le principe de relativité générale. Il permet de généraliser la théorie de la relativité restreinte d'Einstein, valide uniquement pour les mouvements à vitesse constante, afin d'y inclure les mouvements accélérés. Suivant le principe d'équivalence, cette théorie est donc également une théorie de la gravitation. Ce nouveau paradigme aboutit également à l'idée que l'espace-temps se courbe et se déforme en présence d'objets massifs, planètes, étoiles, pulsars ou trous noirs. L'une des conséquences les plus surprenantes de sa théorie est le fait qu'un faisceau lumineux qui passe à proximité d'un objet massif suit la courbure de l'espace-temps et semble donc dévier. Un effet évidemment impossible à décrire avec la gravitation de Newton, puisque le photon n'a pas de masse. Einstein propose de tester sa théorie grâce aux éclipses totales de soleil. On peut alors mesurer la position apparente de certaines étoiles dont la ligne de visée passe très près du soleil. Si cette position apparente ne correspond pas à la position réelle, mesurée à d'autres moments, on peut vérifier si l'écart est en accord avec la théorie de relativité générale, et ainsi la valider. Quatre ans seulement après la publication de l'article d'Einstein, le britannique Arthur Eddington observe ces déviations lors de l'éclipse solaire totale du 29 mai 1919. Au sortir de la seconde guerre mondiale, un anglais prouvait qu'un allemand avait eu raison de défier Newton, au sein même de l'Académie royale des sciences, à Londres. Les conséquences de cette nouvelle théorie de la gravité sont multiples. On peut ainsi décrire l'expansion de l'Univers, la formation de trous noirs, des effets de lentilles gravitationnelles ou d'ondes gravitationnelles. Cette avancée a bouleversé notre vision de l'Univers. La gravitation n'y est plus une force qui s'exerce entre deux objets, mais une courbure de l'espace-temps lui même, provoqué par son contenu en matière. Les trajectoires des objets sont influencées par cette courbure, que nous interprétons comme une force, qui s'exerce entre eux. En conclusion, nous avons vu que l'essentiel des phénomènes visibles de notre Univers reposent sur les forces gravitationnelles et électromagnétiques. Malgré leur similarité dans la forme, sur le fond elles restent deux théories fondamentalement différentes ; l'une agissant sur la matière, l'autre sur l'espace-temps. Des théoriciens essaient toujours aujourd'hui d'unifier les quatre interactions fondamentales, mais il est très difficile d'y inclure la gravitation, et les efforts faits dans cette direction restent, jusqu'à ce jour, très spéculatifs. Ce sont les théories dites de cordes. [MUSIQUE] [MUSIQUE] [MUSIQUE] [MUSIQUE] [MUSIQUE]
