Champs
Le premier tableau que nous avons survolé constitue une introduction rapide au monde des particules élémentaires quantiques et relativistes. Afin de pouvoir aborder profitablement le coté obscur, il nous faut maintenant pénétrer plus profondément dans les arcanes de la théorie pour dévoiler un nouveau tableau dans lequel les principes de symétrie joueront un rôle majeur.
Champ quantique
Pour décrire mathématiquement un objet quantique comme une particule qui peut être créé et annihilé non seulement dans une collision de particules mais aussi spontanément émise par une autre particule isolée ou même créée dans le vide en dehors de la couche de masse pour y redisparaître aussitôt, nous faisons appel au concept de champ quantique. Le champ quantique est une superposition d'ondes créant et annihilant en permanence et en tout point de l'espace continu le spin, la charge et la masse d'un type de particule. C'est une véritable vibration de création et d'annihilation de particules qui emplit l'espace. A chaque type de particules connues correspond un champ quantique qui intègre à lui tout seul tout ce que nous avons décrit des particules à la page précédente exceptées les interactions.
Ce que maintenant veut prédire le physicien, et non seulement se borner à le constater et le décrire, c'est quels sont les types de champ existant dans la nature, de quelle façon ces champs se propagent et interagissent entre eux, autrement dit non seulement prédire quelles particules peuvent exister mais aussi obtenir les lois de leurs interactions. Ce sont les concepts très puissants de symétrie qui vont permettre de complètement déterminer ces équations et de déduire l'existence des 4 interactions fondamentales introduites au tableau précédent.
Symétries
Qu'est ce qu'une symétrie?: Une symétrie correspond à un changement de point de vue, on dit une transformation, et on désire savoir comment précisément se transforment les propriétés d 'un objet sous ce changement. Par exemple une sphère homogène présente la même apparence (les mêmes propriétés) quel que soit l'angle sous lequel on la considère: elle est donc invariante sous rotation. Nous avons déjà constaté qu'en relativité restreinte, une propriété d'un objet telle que sa longueur peut être plus ou moins contractée selon que l'objet et l'observateur sont en déplacement relatif plus ou moins rapide l'un par rapport à l'autre. Les propriétés de certains objets ne sont donc pas invariantes sous certaines symétries. Au fond, si les symétries sont si importantes c'est en vertu de l'intuition selon laquelle toutes les particules ne correspondent en fait qu'à diverses façons de percevoir un seul et unique objet. Si une particule a été identifiée avec certaines propriétés et si la nature admet l'existence d'une symétrie particulière, alors l'action de cette symétrie sur cette particule doit transformer ses propriétés en celles d'une autre particule qui également doit exister dans la nature puisqu'elle ne correspond qu'à un changement de perspective sur notre particule initiale.
Trouver toutes les symétries pertinentes de la nature revient donc à déterminer du même coup tous les types de changement de point de vue possibles sur un unique objet fondamental et par là même tous les types de particules existantes. C'est même une façon d'introduire et de définir rigoureusement les propriétés de ces particules que nous avons déjà énumérées car ces propriétés peuvent caractériser la manière dont les particules se transforment sous les symétries. Par exemple la propriété de spin d'une particule se réfère à la façon dont elle se comporte sous rotation: étrangement, une particule de spin 1/2 doit subir deux rotations complètes de 360 degrés pour se retrouver identique à elle même tandis que pour une particule de spin 1, un tour suffit.
Les physiciens ont identifié un certain nombre de symétries qui jouent manifestement un rôle déterminant en physique. Ces symétries sont:
- Les rotations
- Les translations dans le temps et l'espace
- Les changements de vitesse
- L'inversion des 3 directions de l'espace ou parité
- L'inversion du temps
- L'inversion de la charge
- Les symétrie internes, non spatio-temporelles
- Les symétries spatio-temporelles quelconques dites transformations générales de coordonnées
et les propriétés qui en découlent et dont on étudie la transformation sous ces symétries sont les charges, spin, masse, énergie, impulsion des particules que créent et annihilent les champs.
Les équations de la physique
Le travail du physicien théoricien est en définitive à peu près le suivant:
- Identifier les symétries pertinentes de la physique. Celles énumérées ci-dessus sont considérées comme telles.
- Introduire les champs qui se transforment proprement sous ces symétries. Ceux-ci doivent correspondre à des particules effectivement observées dans la nature.
- Même si les champs isolément se transforment, certaines combinaisons mathématiques non triviales des champs sont invariantes sous les symétries.
- Les combinaisons invariantes génèrent directement les équations de la physique.
Finalement, toute la physique contemporaine découle des principes de symétrie et en particulier les équations des quatre interactions fondamentales. Les interactions faibles, fortes et électromagnétiques sont générées par les combinaisons invariantes sous les symétries internes. La gravitation telle que décrite par la théorie de la Relativité Générale est le fruit des combinaisons invariantes sous transformations générales de coordonnées.
Dans les pages suivantes, nous allons nous concentrer sur la symétrie d'inversion du temps, décrire la manière dont elle est comprise en physique contemporaine et explorer la seule voie alternative possible qui nous mènera à une théorie de la gravitation modifiée: la théorie de la gravité obscure.