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Les fruits les plus éclatants des idées centenaires d’Albert Einstein sont désormais profondément ancrés dans l’imaginaire populaire: trous noirs, chaînes temporelles et trous de ver apparaissent régulièrement comme points de complot dans les films, les livres et les émissions de télévision. En même temps, ils alimentent des recherches de pointe en aidant les physiciens à poser des questions sur la nature de l'espace, du temps et même des informations.

Ironiquement, ce qui est sans doute la partie la plus révolutionnaire de l’héritage d’Einstein attire rarement l’attention. Il n'a ni le charme ni le charme des quarks. Mais, dissimulés derrière le rideau de tous ces phénomènes exotiques, on trouve une idée d'une simplicité trompeuse qui tire les leviers, montre comment les pièces s'assemblent et éclaire le chemin à parcourir.

L’idée est la suivante: certains changements ne changent rien. Les aspects les plus fondamentaux de la nature restent les mêmes même s'ils semblent changer de forme de manière inattendue. Les articles de 1905 d'Einstein sur la relativité ont conduit à la conclusion sans équivoque, par exemple, que la relation entre énergie et masse est invariante, même si l'énergie et la masse elles-mêmes peuvent prendre des formes très différentes. L'énergie solaire arrive sur Terre et devient une masse sous forme de feuilles vertes, créant de la nourriture que nous pouvons manger et utiliser comme carburant pour la réflexion. ("Quel est notre esprit: quels sont ces atomes conscients?", Demanda le regretté. "Les pommes de terre de la semaine dernière!") E = mc2. Le "c”Représente la vitesse de la lumière, un très grand nombre, de sorte qu’il ne faut pas beaucoup de matière pour produire une énorme quantité d’énergie; En fait, le soleil transforme des millions de tonnes de masse en énergie chaque seconde.

Cette transformation sans fin de la matière en énergie (et inversement) alimente le cosmos, la matière et la vie. Pourtant, le contenu énergie-matière de l'univers ne change jamais. C’est étrange mais vrai: la matière et l’énergie elles-mêmes sont moins fondamentales que leurs relations sous-jacentes.

Nous avons tendance à penser aux choses, pas aux relations, comme au cœur de la réalité. Mais le plus souvent, le contraire est vrai. «Ce n’est pas le cas», a déclaré le physicien de l’Université Brown.

La même chose est vraie, a montré Einstein, pour des «choses» comme l’espace et le temps, des aspects apparemment stables et immuables de la nature; en vérité, c’est la relation entre l’espace et le temps qui reste toujours la même, même si l’espace se contracte et que le temps se dilate. Comme l'énergie et la matière, l'espace et le temps sont des manifestations mutables de fondements plus profonds et inébranlables: des choses qui ne varient jamais, quoi qu'il arrive.

«La vision profonde d’Einstein était que l’espace et le temps sont essentiellement construits par des relations entre des événements», a déclaré le physicien, directeur de l’Institute for Advanced Study de Princeton, dans le New Jersey, où Einstein a passé ses dernières décennies.

La relation qui importait le plus à l’héritage d’Einstein était la symétrie. Les scientifiques décrivent souvent les symétries comme des changements qui ne changent rien, des différences qui ne font pas de différence, des variations qui laissent les relations profondes invariantes. Les exemples sont faciles à trouver dans la vie quotidienne. Vous pouvez faire pivoter un flocon de neige de 60 degrés et le résultat sera identique. Vous pouvez changer de place sur une bascule et ne pas perturber la balance. Des symétries plus complexes ont conduit les physiciens à la découverte de tout, des neutrinos aux quarks – ils ont même permis à Einstein de découvrir que la gravitation est la courbure de l'espace-temps, qui, nous le savons maintenant, peut se replier sur elle-même et se faufiler dans des trous noirs .

Au cours des dernières décennies, certains physiciens ont commencé à se demander si la symétrie était toujours aussi productive qu'auparavant. Les nouvelles particules prédites par les théories basées sur les symétries ne sont pas apparues dans les expériences espérées, et le boson de Higgs détecté était beaucoup trop léger pour s’inscrire dans un schéma symétrique connu. La symétrie n’a pas encore aidé à expliquer pourquoi la gravité est si faible, pourquoi l’énergie du vide est si faible ou pourquoi la matière noire reste transparente.

«En physique des particules, la symétrie est à la base de notre description de la nature», a déclaré le physicien de l'Université de Pennsylvanie. «Cette idée a été extrêmement puissante. Mais qui sait? Peut-être devons-nous vraiment renoncer à ces principes précieux et précieux qui ont si bien fonctionné. C’est donc une période très intéressante en ce moment.

Lumière

Einstein ne pensait pas à l'invariance ou à la symétrie lorsqu'il écrivit ses premiers articles sur la relativité en 1905, mais les historiens spéculent sur le fait que son isolement de la communauté de la physique pendant son emploi à l'office suisse des brevets l'aurait aidé à surmonter les pièges inutiles pris pour acquis .

Comme d'autres physiciens de son époque, Einstein réfléchissait à plusieurs énigmes apparemment sans rapport. Les équations de James Clerk Maxwell révélant la connexion intime entre champs électriques et champs magnétiques étaient très différentes selon les cadres de référence – qu’il s’agisse d’un observateur en mouvement ou au repos. De plus, la vitesse à laquelle les champs électromagnétiques se propagent dans l’espace correspond presque exactement à la vitesse de la lumière mesurée à plusieurs reprises par des expériences – une vitesse qui ne change pas, quoi qu’il en soit. Un observateur pourrait courir vers la lumière ou s’en éloigner, et la vitesse ne variait pas.

Einstein a relié les points: la vitesse de la lumière était une manifestation mesurable de la relation symétrique entre champs électriques et magnétiques – un concept plus fondamental que l'espace lui-même. La lumière n’avait besoin de rien, car c’était elle-même des champs électromagnétiques en mouvement. Le concept de «repos» – le «vide» statique inventé par Isaac Newton – était inutile et insensé. Il n'y avait pas de «ici» ou de «maintenant» universel: les événements pourraient apparaître simultanément à un observateur, mais pas à un autre, et les deux perspectives seraient correctes.

La poursuite d’un faisceau lumineux a produit un autre effet curieux, le sujet de la deuxième communication d’Einstein, intitulée «L’inertie d’un corps dépend-elle de son contenu énergétique?». La réponse était oui. Plus vite vous poursuivez, plus il est difficile d'aller plus vite. La résistance au changement devient infinie à la vitesse de la lumière. Puisque cette résistance est l'inertie et que l'inertie est une mesure de masse, l'énergie du mouvement est transformée en masse. "Il n'y a pas de distinction essentielle entre masse et énergie", a écrit Einstein.

Il a fallu plusieurs années à Einstein pour accepter que l’espace et le temps sont inextricablement des fils imbriqués d’un seul tissu espace-temps, impossible à démêler. "Il ne pensait toujours pas d'une manière totalement unifiée espace-temps", a déclaré un physicien et historien des sciences du Massachusetts Institute of Technology.

Un espace-temps unifié est un concept difficile à comprendre. Mais cela commence à avoir un sens si nous réfléchissons à la véritable signification de «vitesse». La vitesse de la lumière, comme toute vitesse, est une relation – la distance parcourue dans le temps. Mais la vitesse de la lumière est spéciale car elle ne peut pas changer. votre rayon laser n'avancera pas plus vite simplement parce qu'il a été tiré depuis un satellite à grande vitesse. Les mesures de distance et de temps doivent donc changer, en fonction de l'état de mouvement, entraînant des effets appelés «contraction de l'espace» et «dilatation du temps». L'invariant est le suivant: peu importe la vitesse à laquelle deux personnes se déplacent l'une par rapport à l'autre. , ils mesurent toujours le même «intervalle espace-temps». Assis à votre bureau, vous traversez le temps à peine. Un rayon cosmique vole sur de vastes distances presque à la vitesse de la lumière mais ne traverse presque pas le temps et reste jeune. Les relations sont invariantes, peu importe comment vous changez de situation.

La gravité

La théorie de la relativité spéciale d’Einstein, qui est apparue la première, est «spéciale» parce qu’elle ne s’applique qu’au mouvement constant et immuable dans l’espace-temps, et non à un mouvement accélérateur comme le mouvement d’un objet qui tombe vers la Terre. Einstein s’inquiétait de ce que sa théorie n’incluait pas la gravité, et sa lutte pour l’intégrer faisait de la symétrie un élément central de sa pensée. "Au moment où il se familiarise avec la relativité générale, il est beaucoup plus investi dans cette notion d'invariants et d'intervalles espace-temps qui devrait être la même pour tous les observateurs", a déclaré Kaiser.

En particulier, Einstein était intrigué par une différence qui n’a pas changé, une symétrie qui n’a pas de sens. Il est toujours étonnant de déposer côte à côte une liasse de papier froissé et un ensemble de clés lourdes pour constater qu'elles ont heurté le sol presque simultanément, comme l'a démontré Galilée (du moins de façon apocryphe) en larguant des balles légères et lourdes de la tour. à Pise. Si la force de gravité dépend de la masse, plus un objet est massif, plus il doit tomber rapidement. Inexplicablement, ce n'est pas le cas.

L'idée clé est venue à Einstein dans l'une de ses expériences de pensée célèbres. Il imaginait un homme en train de tomber d'un bâtiment. L'homme flotterait aussi joyeusement qu'un astronaute dans l'espace, jusqu'à ce que le sol se trouve sur son chemin. Quand Einstein s'est rendu compte qu'une personne tombant librement se sentirait en apesanteur, il a décrit cette découverte comme la plus heureuse des pensées de sa vie. Il a mis un certain temps à comprendre les détails mathématiques de la relativité générale, mais l’énigme de la gravité a été résolue une fois qu’il a montré que la gravité est la courbure de l’espace-temps lui-même, créée par d’énormes objets comme la Terre. Des objets «en chute» à proximité, tels que l'homme imaginaire d'Einstein ou les balles de Galilée, suivent simplement le chemin spatio-temporel qui leur a été tracé.

Lorsque la relativité générale a été publiée pour la première fois, 10 ans après la version spéciale, un problème est apparu: il est apparu que l'énergie ne pourrait pas être conservée dans un espace-temps fortement courbe. Il était de notoriété publique que certaines quantités dans la nature étaient toujours conservées: la quantité d'énergie (y compris l'énergie sous forme de masse), la quantité de charge électrique, la quantité de mouvement. Dans un exploit remarquable en alchimie mathématique, le mathématicien allemand Emmy Noether a prouvé que chacune de ces quantités conservées est associée à une symétrie particulière, un changement qui ne change rien.

Noether a montré que les symétries de la relativité générale – son invariance lors de transformations entre différents cadres de référence – garantissent que l'énergie est toujours conservée. La théorie d'Einstein a été sauvegardée. Noether et la symétrie occupent depuis lors une place centrale dans la physique.

Matière

Post Einstein, l’attraction de la symétrie n’est devenue que plus puissante. Paul Dirac, essayant de rendre la mécanique quantique compatible avec les exigences de relativité restreinte relatives à la symétrie, a trouvé un signe moins dans une équation suggérant que «l'antimatière» doit exister pour équilibrer les livres. Cela fait. Peu de temps après, Wolfgang Pauli, tentant de rendre compte de l’énergie qui semblait disparaître lors de la désintégration des particules radioactives, spécula que l’énergie manquante avait peut-être été emportée par une particule inconnue et insaisissable. C'était, et cette particule est le neutrino.

À partir des années 1950, les invariances ont pris une vie propre, devenant de plus en plus abstraites, «jaillissant», comme l’exprimait Kaiser, des symétries de l’espace-temps. Ces nouvelles symétries, appelées invariances de "jauge", sont devenues extrêmement productives, "fournissant le monde", a déclaré Kaiser, en exigeant l'existence de tout, des bosons de W et Z aux gluons. "Parce que nous pensons qu’il existe une symétrie tellement fondamentale qu’il faut la protéger à tout prix, nous inventons de nouvelles choses", a-t-il déclaré. La symétrie de jauge "dicte les autres ingrédients à introduire". Elle est à peu près du même type de symétrie que celle qui nous indique qu'un triangle invariant sous des rotations à 120 degrés doit avoir trois côtés égaux.

Les symétries de jauge décrivent la structure interne du système de particules qui peuplent notre monde. Ils indiquent toutes les manières dont les physiciens peuvent modifier, faire pivoter, déformer et modifier leurs équations sans modifier quoi que ce soit d'important. "La symétrie vous indique combien de façons vous pouvez inverser les choses, changer le mode de fonctionnement des forces, et cela ne change rien", a déclaré Alexander. Le résultat est un coup d'oeil sur l'échafaudage caché qui soutient les ingrédients de base de la nature.

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