La grande énigme
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Dans la course à la connaissance de la nature et de la marche de l'univers, Galilée, Newton, Planck et Einstein se sont relayés de façon décisive, chacun d'entre eux propulsant la physique vers un nouvel avenir.
Actuellement, dans son voyage au bout de la science, la recherche subnucléaire s'oriente dans deux directions principales, soit qu'elle poursuive l'étude des particules élémentaires et de leurs interactions, soit qu'elle considère qu'il n'y a rien en dehors de l'espace-temps qui, pour reprendre une image d'Einstein, serait "un champs en bosses et en creux."
On tentera ici de signifier dans l'espace-temps les trois charges de couleurs considérées dans le chapitre précédent comme les éléments ultimes de l'univers.
Newton avait œuvré dans l'espace euclidien à trois dimensions auxquelles Einstein ajouta le temps. Depuis, de nouvelles théories ont imaginé des espaces-temps non seulement à quatre, mais à cinq, voire sept dimensions et avec des variantes, entre autres selon que l'univers correspondant est ouvert ou fermé. Dans le premier cas l'univers se dilate indéfiniment, dans le second à l'explosion initiale succède tôt ou tard, l'implosion finale. C'est la densité moyenne de matière qui fait la décision.
L'existence d'un univers à quatre dimensions est assez probable dans la mesure où elle s'accorde avec la théorie du big-bang dans laquelle l'univers en expansion est traditionnellement représenté par une hypersphère, une bulle de présent gonflée par le temps et dont l'intérieur symbolise le passé, tandis que l'extérieur figure le futur. Dans ce schéma l'espace, à qui on a retiré une dimension, se confond avec la paroi de la bulle de présent.
Compte tenu de ces trois éléments : le présent, le futur, le passé, la paroi de la bulle de présent, donc l'espace, a nécessairement une "épaisseur". En effet, elle a une face externe orientée vers le futur et une face interne, orientée vers le passé.
Pour ne pas se mélanger, les deux faces doivent être séparées par une couche de présent non orienté. On pourrait qualifier de positive la face orientée vers le futur, de négative la face orientée vers le passé, de neutre la couche non orientée.
Bien que parfois critiqué parce que trop simple, le modèle du big-bang a pour lui de rendre compte de plusieurs caractéristiques de l'univers observable, par exemple du rayonnement thermique cosmologique, vestige de l'explosion primordiale, ou du décalage vers le rouge de la lumière émise par les galaxies qui paraissent donc s'éloigner de la nôtre à une vitesse accélérée. En fait, il s'agit d'une dilatation de l'espace,comparable à celle d'un ballon dont la surface est parsemée de points symbolisant les galaxies. Lorsque l'on gonfle le ballon,la distance entre deux points quelconques augmente proportionnellement à cette distance. Il en va de même pour toutes les galaxies et si nous-mêmes et nos instruments ne nous dilatons pas, ce qui nous empêcherait d'observer le phénomène, c'est parce que les forces assurant la cohésion des atomes s'y opposent.
L'expansion de l'hypersphère est-elle continue ou bien discontinue, ce qui quantifierait le cours du temps ? La structure d'un espace-temps quantifié est actuellement considérée comme incertaine à cause des fluctuations continuelles qui apparaissent à l'échelle des unités de Planck. On retiendra néanmoins l'hypothèse selon laquelle l'expansion de l'hypersphére serait discontinue, car elle permet de situer géométriquement le passé et le futur de l'univers aussi bien que le présent.
Si son expansion set discontinue, l'hypersphére et tous les éléments qui la composent revêtent successivement deux états, l'un de mouvement, l'autre de repos, qui alternent.
Au repos, la sphère de présent est immobile dans le temps, elle occupe une position entre le passé et le futur. Elle est inscrite dans une succession infinie de sphères de probabilité, virtuelles en première approximation, de taille croissante, emboîtées les unes dans les autres comme des poupées russes et qui marquent toutes les positions que la sphère de présent pourrait occuper dans le futur au cours de son expansion.
De façon symétrique inverse, une succession infinie de sphères de taille décroissante est inscrite à l'intérieur de la sphère de présent, donc dans le passé. Mais ici il faut distinguer les sphères réelles des sphères virtuelles, on reviendra sur ce point.
La sphère de présent au repos est séparée de la sphère de futur qui la jouxte par un intervalle de temps qu'elle franchira en faisant mouvement vers le futur sous la poussée élémentaire du quantum d'Action de Planck, car celui ci possède les dimensions requises à cet effet, celles du produit d'une énergie par un temps. Il s'agit de la constante de Planck : h dont la valeurs est de 6,66.10-34 Js.
La sphère de présent n'est pas lisse, elle présente coté futur, sur sa face externe dite positive, des bosses - les particules "Einsteiniennes"- auxquelles correspondent coté passé, sur sa face interne dite négative, les creux symétriques.
Les bosses font saillie dans le futur où la pression de leurs masses déforme de proche en proche la succession des sphères du futur qui acquièrent ainsi une certaine réalité. Ces déformations du futur par la masse des particules pourraient s'identifier aux courbures de l'espace-temps que sont les ondes gravitationnelles.
Lors de l'expansion discontinue de l'hypersphére, les éléments qui la constituent passent nécessairement, eux aussi, par une succession d'états de repos et de mouvement. Or, il n'est pas possible d'observer simultanément deux événements successifs et donc de préciser à la fois l'état de repos : la position et l'état de mouvement : la vitesse entre deux positions d'une particule. Peut-être faut-il voir là le fondement de l'incertitude d'Heisenberg.
La découverte de la dualité onde-corpuscule a été, selon L. De Broglie, "le grand drame de la physique contemporaine". Cette dualité s'explique si on considère que l'état corpusculaire correspond au repos de la particule et l'état ondulatoire à son mouvement.
Comme tous les éléments de la sphère de présent le photon, passe par une alternance de mouvements et de repos, donc d'états ondulatoires et d'états corpusculaires.
Dans le premier cas, le quantum d'action, h,élément constitutif de l'énergie du photon, le propulse de la sphère de présent vers la sphère de futur voisine. L'énergie du photon considéré est égale au produit de sa fréquence par h, la fréquence pourrait correspondre au nombre de fois où un intervalle entre la sphère de présent et celles de futur est franchie par h.
Dans le second cas, le photon peut être considéré comme une authentique particule ainsi que le démontre, entre autres, l'effet Compton qui est une véritable collision élastique entre un photon et un électron libre.
La notion de photon au repos est extraordinairement difficile à admettre, car l'alternance entre les états de repos et de mouvement est si rapide, un peu comme celle des images d'un film, qu’on a l'impression que l'état de repos n'existe pas, pourtant ne serait-il pas la cause de la limitation de la vitesse de la lumière ?
En physique quantique, la couleur n'est pas celle des peintres, elle caractérise trois charges qui seraient les éléments ultimes de l'univers présent et aussi, on va le voir, de son antécédent : l'univers primordial.
Une singularité spatio-temporelle d'une densité infinie, telle est la définition actuelle de l'univers primordial, mais comment cette singularité, pour ainsi dire réduite à un point, a-t-elle pu être l'origine de myriades de galaxies séparées par des milliards de parsecs ? Un élément de réponse est fourni par la théorie des ensembles appliquée aux nombres entiers relatifs.
Les entiers relatifs sont les éléments de l'ensemble Z réunissant l'ensemble des entiers positifs, l'ensemble des entiers négatifs et zéro, l'élément neutre. En fait, élément de chacun des deux ensembles, zéro est donc leur intersection et, à ce titre, est lui même un ensemble.
On numérote les sphères du temps en faisant correspondre celles de futur aux entiers positifs, celles de passé aux entiers négatifs, celles de présent au zéro, qui s'intercale entre les entiers positifs et les entiers négatifs. Dans ce schéma, l'ensemble Z est le modèle mathématique de l'univers actuel.
Pour remonter à l'univers primordial à partir de ce modèle, il faut imaginer un big bang mathématique à l'envers, en additionnant chaque élément de Z avec son opposé. L'ensemble positif, l'ensemble négatif et leur intersection seraient alors confondus en un seul ensemble mathématique primordial et Z en tant que somme des entiers positifs et des entiers négatifs deviendrait une sorte de mégazéro dans lequel le positif et le négatif se neutraliseraient.
L'univers primordial correspondant à ce modèle mathématique n'aurait pas de dimension concevable parce qu'il n'y aurait aucun étalon extérieur à lui pour le mesurer et si, actuellement, on estime qu'il était minuscule - peut-être même de la taille d'un seul photon d'une énergie infinie - c'est parce qu'on le compare rétrospectivement à l'immense volume, toujours croissant, occupé par les produits de sa désintégration répartis dans l'univers actuel.
En résumé, Z symbolise aussi bien l'univers primordial que l'univers actuel, mais dans le premier cas les ensembles positifs et négatifs de nombres entiers s'additionnent et sont confondus, tandis que dans le second ils ont une intersection : le zéro.
L'addition correspondante des sphères de futur, de présent et de passé les réunit également en un seul et nouvel ensemble, homologue du mégazéro et qui est le temps. Car, dans sa définition le temps englobe avant, pendant et après, c'est-à-dire le passé, le présent et le futur. On ne cite ici que le temps et non l'espace-temps en effet, on l'a vu plus haut, l'espace est un élément du temps, c'est le présent.
Dans cette configuration, à quoi correspondent les charges de couleurs ? Les trois charges de couleurs présentées dans le premier chapitre comme les éléments constitutifs de l'univers correspondent donc aux trois éléments constitutifs du modèle hypersphérique de l'univers et leur qualificatif : charges de couleur doit être remplacée par : charges temporelles de passé, de présent, de futur.
Il faudrait alors, dans le tableau des particules et des antiparticules élémentaires, remplacer les charges de couleur par des charges temporelles. Ainsi, par exemple, rouge devient une charge présent, jaune une charge de futur bleu une charge de passé.
Mais alors, comment se fait-il qu'une particule, l'électron par exemple qui, dans l'hypothèse proposée, porte les mêmes charges temporelles que son antiparticule, le positron, se dirige vers le futur alors que le positron se dirige vers le passé ?
Les rotations,déjà étudiées précédemment, du triangle équilatéral a,b,c interprète géométrique du groupe G3, donnent la réponse. On remplace a par une charge de présent, b par une charge de futur, c par une charge de passé. La rotation dans le sens a b s'effectue dans le sens présent-> futur : il s'agit d'un électron, la rotation dans le sens a->c s'effectue dans le sens présent-> passé : il s'agit d'un positron. C'est donc son sens de rotation qui détermine la direction temporelle de la particule.
Les particules et antiparticules ne sont pas les seules charges temporelles constitutives de l'hypersphère. En effet, les trois charges de couleur non ordonnées du photon doivent, chez lui aussi, être remplacées par les trois charges de temps.
Le photon serait donc un ensemble temporel non ordonné, de trois charges de passé, de présent, de futur. Son image dans Z est un ensemble dans lequel trois éléments : un positif, le négatif opposé et zéro s'additionnent, comme dans l'univers primordial mathématique.
Dans la page d'accueil de La Grande Énigme, le big bang est symbolisé par un photon central, créateur de trois couples : électron-positron, muon-antimuon, tau-antitau. Peut-être ceci devrait-il être remplacé par des couples de monopôle magnétiques, Nord et Sud.
En effet, dès 1931 P. DIRAC avait postulé l'existence des monopôles et, actuellement, les théories unifiées prédisent leur création immédiatement après le big bang. Ils se seraient alors attirés, annihilés aussitôt et leurs masses colossales se seraient converties en photons. Ceux ci, n'ayant plus l'énergie des photons primordiaux se seraient simplement désintégrés en couples de leptons et antileptons chargés. Après ce big bang en deux temps, on retrouve la séquence aboutissant à la création des 48 particules et antiparticules élémentaires, sous-ensembles de couples de leptons et antilepton chargés.
P. Dirac avait démontré que l'existence d'un seul monopôle magnétique dans l'univers justifierait la quantification de toutes les charges électriques. Il y a donc eu au moins un rescapé.
Issu du photon, le monopôle magnétique porterait, lui aussi, les trois charges de couleur dont son existence ne remet pas en cause la réalité. On ne l'a pas mentionné jusqu'ici parce qu'il s'agit d'une particule encore hypothétique dans la mesure ou elle n'a jamais été observée malgré les multiples expériences réalisées à cet effet. Mais il fallait le citer pour mémoire.
Lors du big bang, les trois sous-ensembles du temps : le passé, le présent, le futur avec leurs éléments, sont créés simultanément, car l'un ne se conçoit pas sans l'autre, mais seule la sphère de présent est réelle,les sphères de passé et de futur qui marquent ces positions possibles sont alors virtuelles et, sur le modèle de Z en nombre infini, aussi bien du coté passé que du coté futur.
A ce moment décisif, la sphère de présent a l'option, dans l'escalier du temps, de gravir les marches qui symboliseraient les sphères du futur, alors elle se dilaterait, ou de descendre les marches qui symboliseraient les sphères du passé, alors elle se contracterait.
Si la sphère de présent avait choisi de descendre l'escalier, il y aurait eu inversion du sens du temps et le passé serait devenu le futur du présent.
Et maintenant s'explique la distinction évoquée plus haut, entre les sphères du passé "réelles" et les sphères du passé virtuelles.
L'observation montre que l'hypersphère est en expansion et a choisi, pour l'instant, de monter les marches du futur, les marches positives, donc elle n'a pas descendu les marches du passé, les marches négatives, qui restent ainsi virtuelles. Par contre, dans son ascension, elle a transformé les marches du futur en marches du passé, qui sont maintenant derrière elle, mais qu'elle a bien montées et que, à ce titre, on peut qualifier de marches de passé - donc de sphères de passé - "réelles".
En résumé, on a proposé la candidature des trois charges de couleur à la fonction essentielle de constituants ultimes de l'univers, puis attribué une charge temporelle à chacune d'entre elles.
L'hypothèse prolonge, sans les contredire, les données de la physique subnucléaire. On ne la développera pas davantage, car son acquis suffit pour orienter la recherche sur l'origine de l'univers, qui fera l'objet du dernier chapitre de La Grande Énigme.