(#11) La plus grosse erreur de l'histoire de la physique - YouTube

Vous êtes nuls en physique? Vous vous trompez tout le temps quand vous faites des calculs?

Et bien, ce que je vais vous raconter aujourd'hui devrait vous rassurer. On va parler de la plus grosse erreur de toute l'histoire de la physique.

Elle concerne l'expansion de l'univers et vous allez voir qu'elle est vraiment grosse.

C'est quelque chose dont vous avez forcément déjà entendu parler,

on vit dans un univers qui est en expansion.

C'est-à-dire que toutes les galaxies s'éloignent les unes des autres.

Ça on le sait pour deux très bonnes raisons, comme souvent en physique,

la première c'est qu'on peut l'observer et la deuxième c'est qu'on peut le calculer.

Les observations ont été faites pour la première fois dans les années 30

par l'astronome américain Edwin Hubble.

Vous savez c'est celui qui a, bien plus tard, laissé son nom au télescope spatial.

Alors à l'époque, Hubble n'avait pas de télescope spatial mais il a été le premier

à pouvoir observer le mouvement des galaxies

et à se rendre compte que toutes les galaxies s'éloignaient les unes des autres

et qu'elles s'éloignaient d'autant plus vite qu'elles étaient distantes.

Ce phénomène d'éloignement est à l'origine de l'idée de l'expansion de l'univers

et je vous ai dit qu'on ne l'observe pas seulement mais qu'on peut aussi le calculer.

Pour faire ça on utilise les équations d'Einstein de la relativité générale

et on les applique au cas de l'univers dans son ensemble.

Ces équations permettent de calculer à quelle vitesse les galaxies s'éloignent

et elles sont en parfait accord avec ce qu'observait Hubble puisqu'elles disent que les galaxies

s'éloignent avec une vitesse qui est proportionnelle à leur distance.

Alors il faut quand même raconter quelque chose à propos l'expansion de l'univers.

Vous savez, on présente souvent Einstein comme le type qui avait toujours raison

qui ne s'est jamais trompé etc...

Et bien s'il y a un point sur lequel Einstein c'est bien planté, c'est l'expansion de l'univers.

Plusieurs années avant les observations de Hubble, Einstein s'était déjà rendu compte

que ses propres équations pouvaient conduire à l'idée d'un univers qui ne soit pas statique.

C'est-à-dire qui soit éventuellement en expansion ou en contraction.

Et ça pour lui c'était un truc totalement inconcevable

donc il s'est dit que sa théorie était forcément fausse et il a cherché à modifier ses équations

pour qu'elles puissent donner un univers qui soit statique.

Alors qu'est-ce qu'il a fait? Il a rajouté un terme à ses équations

et en fait ça c'était une connerie parce que ça ne marchait même pas.

Quelques années plus tard, une fois que les observations de Hubble ont été bien établies,

il a dû reconnaître qu'il s'était planté, il a accepté l'expansion de l'univers

et il a supprimé le terme supplémentaire qu'il avait ajouté.

Et même un peu plus tard il a appelé ça: la plus grosse erreur de sa vie.

Alors maintenant qu'on sait que l'univers est en expansion, une question qu'on peut se poser,

c'est: Est-ce que ça va durer encore longtemps?

Est-ce que ça va continuer comme ça? Est-ce que ça va s'arrêter à un moment donné?

Pour essayer de répondre à cette question on peut utiliser les équations d'Einstein

et ce que nous disent ces équations, c'est que l'expansion de l'univers ne peut que décélérer.

Alors il y a quand même deux cas de figure possibles:

soit elle va décélérer suffisamment jusqu'à s'arrêter puis repartir en arrière.

C'est-à-dire que l'univers va se mettre à se contracter

et qu'il va finir dans ce qu'on appelle parfois un Big Crunch, par opposition au Big Bang.

Soit l'expansion va ralentir mais continuer éternellement

de plus en plus lentement mais sans jamais s'inverser

et l'univers va devenir de moins en moins dense et de plus en plus froid.

Ça c'est le scénario qu'on appelle parfois le Big Chill, le grand refroidissement.

Alors même si tout ça n'aura lieu que dans plusieurs milliards d'années,

on a quand même envie de savoir dans laquelle des deux situations on se trouve.

Est-ce qu'on va finir en Big Crunch ou est-ce qu'on va finir en Big Chill?

En fait pour savoir ça, il faut connaître la densité moyenne de l'univers.

Si on est au-dessus d'une certaine valeur, ce sera un Big Crunch

et en dessous ce sera un Big Chill.

Et ce qu'il y a d'étonnant, c'est que chaque fois qu'on a des observations astrophysiques

qui nous permettent de mesurer la densité de l'univers,

on s'aperçoit qu'on est à chaque fois à la limite entre les deux scénarios.

Un coup un petit peu au-dessus, un coup un petit peu en dessous.

Enfin ça, c'était avant 1997,

parce qu'en 1997 a eu lieu une observation extraordinaire

qui a complètement changé la donne.

Alors qu'est-ce qu'il s'est passé en 97? Il y a deux équipes d'astronomes qui, indépendamment,

ont fait une observation incroyable.

Ils ont mesuré que l'expansion de l'univers était en fait en train de s'accélérer.

C'est-à-dire qu'on n'est dans aucun des deux scénarios que je vous ai décrits,

mais on est dans un troisième scénario qui est plutôt comme ça:

Donc ça, c'est assez bizarre puisque je vous ai dit tout à l'heure que

d'après les équations d'Einstein, l'expansion de l'univers ne peut que décélérer

et là on a des observations qui nous disent qu'en fait elle est en train de s'accélérer.

Alors comment c'est possible?

En fait c'est possible d'expliquer ça avec les équations d'Einstein

à une condition, c'est de rajouter ce fameux terme qu'Einstein avait introduit

et qu'il avait fini par supprimer en disant que c'était la plus grande erreur de sa vie,

ce terme qu'on appelle la constante cosmologique.

Et si on ajoute ce terme aux équations d'Einstein,

ça colle parfaitement avec les observations d'un univers en expansion accélérée.

Alors si on est vraiment dans ce cas de figure, le destin de l'univers

n'est pas vraiment meilleur que dans les autres cas

puisque l'univers va continuer à s'étendre de plus en plus vite

et il va finir dans ce qu'on appelle parfois le Big Rip, le grand déchirement.

Cette modification qu'Einstein avait introduite dans ses équations

et qu'il avait fini par supprimer en disant que c'était la plus grande erreur de sa vie,

finalement, elle va être indispensable pour expliquer l'expansion accélérée de l'univers

donc ça vaut le coup de se pencher un petit peu plus sur ce terme.

C'est donc quelque chose qu'on appelle la constante cosmologique

et une manière de l'interpréter c'est de dire que le vide possède une énergie.

Je suis d'accord, c'est un petit peu contre-intuitif parce que à priori,

le vide, c'est le vide donc on ne voit pas très bien pourquoi il aurait une énergie

mais bon, c'est quelque chose qu'on observe expérimentalement, donc à la limite, pourquoi pas?

Et grâce aux observations astrophysiques on peut même calculer la valeur de l'énergie du vide

et on trouve que cette énergie du vide elle vaut environ 10 puissance -13 joules par centimètre cube.

Alors à la limite, je veux bien admettre que le vide possède une énergie,

si c'est une idée qui colle avec les observations astrophysiques, pourquoi pas.

Mais il y a quand même quelque chose de pas très satisfaisant dans cette idée,

c'est: cette énergie, d'où est-ce qu'elle vient?

Or, il se trouve qu'il y a une théorie qui a une réponse toute prête à cette question

et cette théorie c'est la mécanique quantique.

La mécanique quantique c'est la théorie qui permet de décrire

le comportement des particules au niveau microscopique

et il y a une idée qui est absolument centrale en mécanique quantique

c'est ce qu'on appelle le principe d'incertitude de Heisenberg.

Ce principe vous en avez peut-être déjà entendu parler,

il dit qu'une particule au niveau microscopique

ne peut pas avoir à la fois une position et une vitesse parfaitement définies.

Et une des conséquences du principe d'incertitude de Heisenberg,

c'est que les particules ne peuvent jamais avoir une énergie qui soit complètement nulle,

il y a toujours un petit quelque chose qui reste, un petit minimum d'énergie.

Ce principe s'applique aussi aux champs électromagnétiques et une des conséquences de ça,

c'est que le vide n'est jamais vide, il y a toujours un tout petit peu d'énergie,

associé à un tout petit peu de champ électromagnétique.

Donc en mécanique quantique, le vide possède une énergie.

Est-ce que ce n'est pas formidable ça?

On observe l'energie du vide en cosmologie à travers l'expansion accélérée de l'univers

et la mécanique quantique nous permet d'expliquer

d'où vient cette énergie au niveau microscopique.

Le problème c'est que, si on fait le calcul de la valeur de l'énergie du vide en mécanique quantique.

Ce qu'on trouve c'est, 10 puissance 107 joules par centimètre cube, une valeur monstrueuse.

Et je vous rappelle, tout à l'heure on a dit que la valeur observée expérimentalement

grâce à l'expansion de l'univers c'était 10 puissance -13 joules par centimètre cube

Ça veut dire que la valeur trouvée par la mécanique quantique

est 10 puissance 120 fois trop grosse,

c'est-à-dire mille milliards de milliards de milliards de milliards de

milliards de milliards de milliards de milliards de milliards de milliards de

milliards de milliards de milliards de fois trop grosse.

Je pense qu'on peut dire sans problème

qu'il s'agit de la plus grosse erreur de prédiction de toute l'histoire des sciences.

Alors là, vous vous attendez certainement à ce que je vous explique qu'on a facilement trouvé

d'où vient cette incohérence et que les chercheurs ont résolu le problème.

Et bien, non, personne n'en sait rien.

Et sachez que c'est même un des problèmes les plus cruciaux aujourd'hui, en physique fondamentale,

d'expliquer pourquoi l'énergie du vide observée expérimentalement en cosmologie est aussi petite,

alors que le calcul théorique en mécanique quantique est aussi gros.

Et pour répondre à cette question vous voyez qu'il faut manier à la fois

l'infiniment grand et l'infiniment petit, unifier mécanique quantique et relativité générale.

Donc pour répondre correctement à cette question il est vraisemblable

qu'il faille disposer d'une théorie du tout

et aujourd'hui, on la cherche toujours.

Merci d'avoir suivi cette vidéo.

J'espère que vous ne commettrez jamais d'erreur aussi grosse.

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Vous pouvez aussi aller voir mes vidéos précédentes,

notamment celle sur Stephen Hawking et celle sur la théorie des cordes.

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Sous-titres: Warteks