法语助手

Bonjour à tous ! Aujourd'hui, à l'occasion de la sortie du film qui lui est consacré, je voudrais vous parler de Stephen Hawking et de ses travaux de recherche sur… la théorie du tout !

Vous avez peut-être vu qu'en France est sorti, il y a quelques jours ce film qui s'appelle « Une merveilleuse histoire du temps ».

… et c'est un film qui retrace la vie du célèbre astrophysicien Stephen Hawking.

Vous savez peut-être que ce à quoi Stephen Hawking a consacré une bonne partie de sa vie de chercheur, c'est la recherche de ce qu'on appelle « la théorie du tout »

D'ailleurs c'est le titre en anglais du film, ça s'appelle «The Theory of Everything »

Alors aujourd'hui je voudrais vous expliquer : Qu'est-ce que c'est la théorie du tout ? Pourquoi on l'appelle comme ça ? Pourquoi on la cherche ? Et puis… qu'est-ce qu'a fait Hawking là dedans ?

Pour comprendre ce que c'est que la théorie du tout, il faut remonter à la première moitié du 20ème siècle.

Vous savez peut-être qu'à cette époque ont eu lieu deux très grandes révolutions en physique fondamentale.

La première, ça a été la découverte de la théorie de la relativité générale par Einstein. La théorie de la relativité générale c'est une théorie de la force de gravité.

En fait, à l'époque où Einstein propose sa théorie, on avait déjà une théorie de la force de gravité.

C'était la théorie de Newton : La loi de l'attraction universelle, celle qu'on apprend physique au lycée.

Et Einstein est parti d'un principe différent. Il a proposé que si les corps massif s'attirent, ce n'est pas parce qu'il existe une force entre eux mais c'est parce qu'ils courbent l'espace-temps.

Alors la théorie d'Einstein, en fait, elle n'apporte pas énormément de choses nouvelles par rapport à celle de Newton… sauf quand les objets sont très lourds.

Il y a notamment deux cas très particuliers.

Le premier c'est l'existence des trous noirs.

La théorie d'Einstein nous dit : « Il existe des régions l'espace dont rien ne ne peut s'échapper… même pas la lumière ! » … ce qu'on appelle les trous noirs.

Et aujourd'hui on sait que les trous noirs existent, par exemple il y en a un qui est tranquillement assis en plein milieu de notre galaxie et d'ailleurs vous pouvez regarder dans sa direction si, en été, vous visez la constellation du sagittaire.

L'autre grande nouveauté qui a été apportée par la théorie d'Einstein, c'est l'idée de l'expansion de l'univers.

La théorie d'Einstein nous dit que, l'univers est en expansion et que si on remonte le temps, qu'on remonte le film de l'histoire de l'univers, il y a 13,8 milliards d'années, il était dans un état complètement contracté sur lui-même très dense, très chaud et c'est ça qu'on appelle le Big Bang.

Le Big Bang est une conséquence de la relativité générale.

L'autre grande révolution qui a eu lieu à peu près à la même période, en parallèle, c'est la mécanique quantique.

La mécanique quantique c'est un petit peu l'opposé de la relativité générale, puisque c'est une théorie de la matière au niveau microscopique.

Par microscopique, qu'est ce qu'on entend ? On entend… … les atomes… et puis tout ce qui est en dessous, tout ce qu'il y a de plus petit, les protons, les électrons… toutes les particules fondamentales.

Et la mécanique quantique, elle nous décrit un monde qui, au niveau microscopique, est assez différent du monde dont on a l'habitude au niveau macroscopique.

Le mieux, pour comprendre ça, c'est de penser à un atome… vous savez, on représente souvent un atome comme une sorte de système planétaire, des électrons qui tournent autour des protons, un peu de la même manière que des planètes peuvent tourner autour d'une étoile.

En fait, la mécanique quantique nous dit que les choses se passent d'une manière assez différente.

Pour les planètes qui tournent autour d'une étoile, elles se trouvent, en général, à une distance donnée de l'étoile mais elles pourraient se trouver, à priori, à n'importe quelle autre distance il n'y a pas de distance imposée.

Au niveau microscopique, pour les électrons il y a des orbites imposées. C'est à dire qu'un électron ne peut se trouver qu'à une certaine distance du proton.

Il peut se trouver sur une orbite, il peut trouver sur la suivante, mais il ne peut pas se trouver entre les deux

Les choses sont discontinues, on dit parfois qu'elles sont « quantifiées », d'ailleurs c'est ce qui donne son nom à la mécanique quantique.

L'autre grande nouveauté au niveau microscopique c'est que les particules peuvent être dans plusieurs états à la fois.

Vous savez, l'image habituelle qu'on donne, c'est celle du chat de Shrödinger, le chat qui est à la fois mort et vivant.

Et bien pour un électron qui tourne autour d'un proton dans un atome, ça se passe exactement comme ça.

L'électron, il est… dans toutes les positions de son orbite à la fois. Il est partout à la fois sur son orbite.

Donc quelque chose de très différent de ce dont on a l'habitude nous, au niveau macroscopique.

La mécanique quantique, ça peut vous paraître bizarre mais il faut savoir que ça marche très très bien.

Déjà, c'est ce qui est à la base de toute notre compréhension actuelle de la physique des particules … et ce n'est pas seulement dans les accélérateurs (de particules), puisque la mécanique quantique, c'est ce qui nous permet de comprendre comment marchent les semiconducteurs et donc de faire des transistors des microprocesseurs… et donc sans mécanique quantique, vous ne seriez peut-être pas en train de regarder cette vidéo.

Alors, tout ça c'est très bien mais assez vite, les physiciens se sont rendus compte que la mécanique quantique et la relativité générale étaient deux théories totalement incompatibles

Ça se voit un peu… en relativité générale tout est continu, toutes les choses sont dans un état bien déterminé.

En mécanique quantique, les choses sont discontinues, les objets sont dans plusieurs états à la fois. donc ces deux théories sont fondamentalement incompatibles.

Et vous savez, les physiciens… ils aiment bien essayer d'unifier les choses.

S'ils pouvaient avoir une seule théorie qui englobe les deux, ça les arrangerait bien.

Et donc, c'est cette hypothétique théorie qui engloberait les deux qu'on appelle – un peu pompeusement – la théorie du tout

Là vous allez me dire : « Qu'est-ce qu'on s'en fiche d'avoir une théorie du tout ? »

Je vous ai dit « la mécanique quantique c'est pour les objets microscopiques… … et la relativité générale c'est pour les objets très lourds ».

En général, les objets très lourds ne sont pas microscopiques et les objets microscopiques ne sont pas très lourds.

En fait ce n'est pas tout à fait vrai… on connaît au moins deux cas où on aurait bien besoin d'une théorie qui regroupe mécanique quantique et relativité générale.

Le premier c'est pour comprendre ce qu'il se passe au centre des trous noirs.

Vous savez, un trou noir, ça ne fait qu'accumuler de la matière toute cette matière tombe au centre du trou noir et donc au centre du trou noir, on a énormément de matière qui se concentre dans un très petit volume.

Pour comprendre ce qu'il se passe vraiment au centre d'un trou noir, il faut qu'on ait une théorie qui permette de faire à la fois de la relativité générale et la mécanique quantique.

Il faut qu'on ait une théorie du tout.

L'autre cas, c'est… celui des premiers instants du Big Bang.

En fait, dans les premiers instants du Big Bang, l'univers était dans un état très très contracté. Alors il était très lourd… mais il était tellement contracté que pour comprendre vraiment ce qui s'est passé à ce moment-là, il faut qu'on ait une théorie du tout.

Et c'est très important parce que, vous savez, on dit souvent « l'univers est né il y a 13,8 milliards d'années »

En fait, c'est pas vrai, en fait on n'en sait rien .

Si on veut vraiment comprendre ce qui s'est passé à ce moment-là, il faut qu'on ait une théorie qui permettent de faire de la relativité générale et de la mécanique quantique en même temps.

Alors, qu'est-ce qu'a fait Hawking là-dedans ?

Hawking a été le premier, dans les années 70, à réussir à mélanger un tout petit peu la mécanique quantique et la relativité générale.

Plus précisément, Hawking travaillait sur la physique des trous noirs, et il a montré que si on mettait un peu de mécanique quantique dans les trous noirs, on trouvait que les trous noirs émettaient un rayonnement.

On avait l'habitude de dire « Un trou noir c'est quelque chose qui ne peut qu'avaler des choses. Ça ne peut rien émettre. »

Et Hawking montre que non : si on prend en compte la mécanique quantique, l'image change et les trous noirs émettent un rayonnement.

Ce rayonnement c'est de l'énergie et donc si le trou noir émet de l'énergie : sa masse diminue.

Donc les trous noirs peuvent maigrir et peuvent même disparaître complètement.

C'est ce qu'on appelle l'évaporation des trous noirs.

Et donc ça a été une petite révolution puisque, pour la première fois, quelqu'un arrivait à mélanger un petit peu de la mécanique quantique dans la relativité générale.

Et en plus, en faisant ça, cela modifiait complètement l'image qu'on avait des trous noirs.

Et donc c'est ça qui reste la grande trouvaille de Hawking, sa grande découverte scientifique.

D'ailleurs son nom est resté attaché à ça puisque ce rayonnement des trous noirs, on l'appelle « le rayonnement de Hawking »

Alors aujourd'hui, où est-ce qu'on en est dans la recherche d'une théorie du tout ?

Et bien, en fait, on n'est pas forcément beaucoup plus loin que là où on était à l'époque de Hawking.

La tentative la plus aboutie aujourd'hui – en tout cas celle qui bénéficie du plus de chercheurs et aussi du plus de publicité – elle s'appelle la théorie des cordes.

La théorie des cordes, son idée c'est de reprendre un peu les choses à zéro et de dire :

Finalement le monde n'est pas fait de particules mais il est fait de petits objets uni-dimensionnels, qui sont des petites cordes et qui, comme les particules, peuvent se balader, interagir, se désintégrer, fusionner, etc.

La théorie des cordes permet de résoudre un certain nombre de problèmes qu'on avait quand on essayait de mélanger un peu naïvement la relativité générale et la mécanique quantique.

Il y a juste un prix à payer, c'est que la théorie des cordes, elle ne marche que en dix dimensions.

Vous ne pouvez pas faire de théorie des cordes en quatre dimensions ou en 18 dimensions… C'est dix dimensions obligatoires.

Une dimension de temps, neuf dimensions d'espace.

Ça c'est un problème, parce que jusqu'à preuve du contraire, aujourd'hui, des dimensions d'espace, on n'en a vu que trois.

Donc il faut expliquer où sont les six autres. Aujourd'hui, la théorie des cordes est l'approche la plus développée, mais elle est encore loin de pouvoir prétendre à être « la théorie du tout »

Et puis il faut savoir qu'il n'y a pas que la théorie des cordes dans la vie, il y a d'autres approches et notamment, ces vingt dernières années, il y a une nouvelle approche qui s'est développée qui s'appelle la gravité quantique à boucles.

Il ne faut pas vous laisser tromper par le terme de boucles.

Les boucles de la gravité quantique à boucles n'ont à peu près rien à voir avec les cordes de la théorie des cordes et c'est une approche très intéressante parce que, notamment, elle fonctionne en quatre dimensions. C'est-à-dire une dimension de temps et trois dimensions d'espace.

Et en particulier, les physiciens qui travaillent sur le sujet ont regardé comment on pouvait comprendre les premiers instants du Big Bang en utilisant cette théorie.

Et ce qu'ils ont vu, c'est qu'il était possible que notre univers ne soit en fait pas né il y a 13,8 milliards d'années, mais soit le résultat… du rebond d'un univers précédent !

Donc, il faut s'imaginer un univers précédent qui se serait effondré sur lui même et qui, juste avant d'atteindre une taille ponctuelle, aurait rebondit et aurait donné notre univers à nous.

Alors, il faut que je vous dise, cette approche de la gravité quantique à boucles, j'ai un petit faible pour elle parce que c'était mon sujet de recherche il y a quelques années.

Je vous le promet : un jour je vous ferai une vidéo spécifique sur la gravité quantique à boucles.

Merci d'avoir suivi cette vidéo, j'espère qu'elle vous a plu.

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