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    Sciences - La traque à l'erreur initiale

    Plus ardue que ce qui était prévu, la recherche de la «théorie du tout» a conduit certains chercheurs à remettre en question l'exactitude de la théorie d'Einstein. Ces physiciens iconoclastes émettent l'hypothèse que les fondements mêmes de la physique avec lesquels on tente d'échafauder cette grande théorie unificatrice comporteraient peut-être quelques petites failles passées inaperçues jusqu'à maintenant. L'édifice de la physique fondamentale ne serait peut-être qu'une approximation de la réalité, fort élégante et cohérente au demeurant.

    Ces audacieux scientifiques croient que la découverte de ces quelques imperfections présentes vraisemblablement à très petite échelle — ou à de très hautes énergies — donnerait des indices pouvant servir à l'ébauche de l'ultime théorie.

    L'un des instigateurs de cette traque à l'erreur, le physicien théoricien Alan Kostelecky, de l'Université de l'Indiana à Bloomington, a formulé une théorie, appelée extension du modèle standard, dans laquelle il a introduit toutes les violations possibles des lois fondamentales de la relativité ainsi que leurs effets indirects qui pourraient être détectés et observés expérimentalement avec les technologies actuelles.

    Alan Kostelecky pourchasse les possibles irrégularités ou distorsions de l'espace-temps, dont la structure est si bien décrite dans la théorie de la relativité restreinte d'Einstein. Plus exactement, il s'attelle à vérifier si les symétries ou invariances que sous-tend cette théorie ne seraient pas «brisées» à très petite échelle.

    Symétries ou invariances

    Dans sa théorie de la relativité restreinte, Einstein a révolutionné nos conceptions de l'espace et du temps en mettant en lumière les symétries sous-jacentes à la réalité qui nous entoure. Les symétries sont ces aspects du monde qui ne changent pas quand on les regarde sous différents points de vue. Une sphère, par exemple, possède une symétrie de rotation puisque son apparence demeure la même lorsqu'on la fait tourner.

    Selon le grand principe de la relativité, qui, rappelons-le, a été découvert à l'origine par Galilée au XVIIe siècle et qu'Einstein a développé et précisé dans ses célèbres théories, les lois de la physique demeurent les mêmes partout dans l'univers et pour tous les observateurs. Qu'une expérience soit effectuée dans un laboratoire situé ici sur Terre ou sur une planète lointaine, orienté vers le nord ou le sud, voire retourné à l'envers dans un avion filant à vitesse constante, qu'elle soit réalisée il y a trois ans, aujourd'hui ou dans dix ans, elle aboutira toujours aux mêmes résultats. Ce principe de relativité permet ainsi aux physiciens du monde entier de pouvoir se comprendre puisqu'il garantit que la description d'un objet sera identique quels que soient le moment où on l'observe, sa position, sa direction et sa vitesse (tant que celle-ci demeure constante). Or c'est cette invariance que les physiciens nomment symétrie, ou plus exactement «symétrie de Lorentz», en l'honneur du physicien néerlandais Hendrik Antoon Lorentz qui, au XIXe siècle, a confirmé le principe de relativité esquissé déjà par Galilée.

    Il y a près de 20 ans qu'Alan Kostelecky a proposé que cette symétrie de notre espace-temps était peut-être imparfaite à des distances infinitésimales de l'ordre de 10 exposant -35 mètre, baptisées longueur de Planck — du physicien allemand à l'origine de la notion de quantum d'énergie sur laquelle repose la physique quantique. À cette distance absolument inatteignable avec nos instruments de mesure — qui peuvent aujourd'hui scruter la matière jusqu'à 10 exposant -18 mètre —, la gravité, négligeable d'ordinaire à l'échelle subatomique, devient alors aussi importante que les trois autres forces de la nature que sont la force nucléaire faible, la force nucléaire forte, ainsi que la force électromagnétique (voir texte à la une). «À la distance de Planck, la relativité générale et [la mécanique quantique, ou plus précisément] le modèle standard qui décrit les autres forces de la nature et les particules élémentaires, sont censées s'unifier en une seule et même théorie cohérente», souligne M. Kostelecky.

    Une direction privilégiée

    Alan Kostelecky a enrôlé dans sa chasse des dizaines de physiciens oeuvrant dans différents domaines, tels que la physique des particules et l'astrophysique. Ces physiciens espèrent trouver au cours de leurs expériences des manifestations indirectes à plus grande échelle d'une brisure de la symétrie de Lorentz. «Comme une direction imperceptiblement privilégiée dans l'univers», lance le chercheur de l'Indiana, qui formule l'hypothèse qu'il existerait peut-être dans l'univers une direction particulière le long de laquelle la vitesse de la lumière serait légèrement différente; les neutrinos — ces particules fantomatiques qui traversent la matière sans interagir avec elle — changeraient de couleur; le temps ne s'écoulerait pas à la même vitesse. Une des expériences en cours vise justement à vérifier si le tic-tac d'horloges atomiques parmi les plus précises du monde demeure inchangé dans toutes les directions de l'espace.

    «Par des expériences indirectes effectuées avec des appareils très, très sensibles, on essaie de voir si une telle direction privilégiée existe, explique Alan Kostelecky. Si on trouve une telle chose, cela voudra dire que la base de la relativité n'est pas tout à fait exacte. Une telle découverte ne mettrait pas tous les calculs d'Einstein à la poubelle. Mais elle nous obligerait à ajouter de petites corrections qui nous permettraient de comprendre un peu mieux comment joindre ces deux théories [relativité générale et mécanique quantique] qui pour l'instant sont incompatibles d'une façon irrémédiable.»

    Au cours des dix dernières années, une cinquantaine d'expériences susceptibles de mettre au jour des signes de brisure de la symétrie de Lorentz ont été menées à travers le monde. Aucune n'a révélé la faille tant recherchée. Cela ne veut toutefois pas dire qu'il n'y en a pas! prévient le chercheur. «Cela signifie probablement que nous n'avons pas regardé au bon endroit ou avec suffisamment de précision, voire nous n'avons pas imaginé le bon protocole expérimental qui soit apte à engendrer de telles révélations.»

    La beauté est asymétrique

    Malgré les échecs des dernières années, Alan Kostelelcky continue de concentrer ses efforts sur l'analyse de ces diverses expériences susceptibles de lui révéler les moindres irrégularités de l'espace-temps qui deviendraient ainsi des éléments de la fameuse théorie du tout. Il demeure mû par une foi inébranlable en son hypothèse, pourtant mise en doute par maints physiciens. «La beauté de la nature est plus subtile qu'une symétrie parfaite, lance le chercheur en paraphrasant certains philosophes. Un coucher de soleil est encore plus magnifique s'il y a des nuages et des montagnes qui ne sont pas tout à fait symétriques autour de lui. Les vedettes de cinéma se font des grains de beauté sur le visage car elles savent que ceux-ci rehausseront leur beauté. La beauté peut en effet être accrue par de légères imperfections.»

    Même si aucune violation des théories d'Einstein n'est trouvée, la démarche du professeur Kostelecky n'aura pas été vaine, admettent même ses détracteurs, comme le physicien Jim Cline de l'université McGill. Car la recherche en physique vise à mettre sans cesse à l'épreuve les théories acceptées. Si, par contre, des violations étaient dévoilées, la physique connaîtrait un nouveau bouleversement, qui «donnerait d'importants indices pour concevoir la théorie unifiée».
     
     
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