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Le boson de Higgs

Le boson de Higgs est une particule élémentaire appartenant à la famille des bosons, qui se distingue de celle des fermions, tels l’électron ou le proton, par ses propriétés rotationnelles intrinsèques (le "spin").
Selon la théorie actuelle, immédiatement après le Big Bang les particules n’avaient pas de masse. Mais, lors du refroidissement de l’Univers, sa température tomba au dessous d’un seuil critique. Alors se forma un champ de force, dit champ de Higgs, dont le vecteur, le Boson de Higgs, donne une masse à lui-même et aux particules.
Le boson de Higgs (du nom du physicien qui en a postulé l’existence en 1964) est une particule capitale, car elle est la pièce manquante du « Modèle standard », c’est-à-dire la théorie fondamentale de la matière qui décrit toutes les particules de l’Univers. Le boson de Higgs pourrait expliquer pourquoi certaines particules ont une masse et d’autres pas, car il voyagerait entre ces différents types de particules. Sa masse pourrait être comprise entre 115 et 130 giga électronvolts (GeV).
Le boson de Higgs est connu sous le nom de particule de Dieu, ou "The God particle", ainsi que l’avait nommé le physicien lauréat du prix Nobel Leon LEDERMAN. Car comme Dieu, il serait partout mais de façon très élusive. C’est le « chaînon manquant » qui pourrait expliquer l’origine de la masse de toutes les particules. La confirmation de son existence est donc fondamentale pour asseoir définitivement les théories expliquant la masse des particules.
Si les caractéristiques de cette particule correspondent aux prédictions de certaines théories à la frontière de la physique, "nous serions alors véritablement en présence de quelque chose d'étroitement lié à la fabrique de l'espace-temps, qui est fondamental pour l'Univers".
L’interaction entre les particules ayant une masse et celles n’en ayant pas crée les trois forces : forte, faible et électromagnétique. La quatrième force, la gravité, pourrait être expliquée par un boson qui doit être encore découvert, le graviton.

Lien entre force et énergie

Force et énergie sont liées, mais ne sont pas la même chose. L'une, la force, est la dérivée de l'autre, l'énergie (Landau, Lifchitz. Mécanique, Mir. p.39). Le lien entre les deux c'est le travail... le travail d'une force - c'est à dire sa circulation - est une énergie... on peut donc voir une force comme un facteur de transfert d'une forme d'énergie vers une autre forme d'énergie.
Dire que "toute action résulte d'une force" est une vision qui a plusieurs siècles, aujourd'hui on préfère se référer à "la théorie des champs à toutes les échelles" qui énonce qu' : "une force crée une énergie laquelle produit un champ de force".
La physique moderne n'a pas introduit les champs comme conséquence ou résultat de l'action d'une force (ni le contraire), elle a bel et bien démontré l'insuffisance du concept de force, et introduit celui de champs (scalaires ou vectoriels) qui est autrement plus puissant et fidèle à l'expérience. C'est pourquoi, gravitation et électromagnétisme ont été repensés en termes de champs.
Temps et énergie sont tout aussi intimement liés. L'énergie exprime la croyance que les physiciens ont dans le fait que les lois de la physique sont invariantes par translation dans le temps... Cela se formule de façon très générale sous la forme d'un principe d'invariance par translation dans le temps et dans une loi de conservation de l'énergie.

Principe d'incertitude et énergie du vide

En 1927, le physicien Werner Heisenberg révolutionne la physique en proposant une théorie garnie d’équations, et appelée principe d’incertitudes. Le principe d’incertitude énonce que toute mesure perturbe l’objet mesuré. Il y a donc une limite ultime à la précision des mesures.
Par ailleurs, la théorie des quanta implique une discrétisation de l’énergie, par conséquent (et c’est fondamental) on ne peut pas échanger une quantité d’énergie inférieure à un quantum. Donc il y a une limite à la perturbation : elle ne peut pas être aussi faible que l’on veut. C’est aussi le principe d’incertitude dans sa version simplifiée.
S’agissant de l’origine des fluctuations quantiques, le principe d’incertitude nous éclaire. Le voici dans sa formulation mathématique, en version temps-énergie (il en existe plusieurs variantes). On retrouve la constante de Planck sous sa forme réduite (constante de Dirac, qui n’est autre que h/2π) :

L’inéquation stipule que plus l’intervalle de temps est court, plus l’énergie varie. Dit autrement, sur des échelles de temps extrêmement courtes, l’incertitude devient si grande que des fluctuations énergétiques apparaissent…
Le vide, aussi parfait soit-il, est soumis à ce que l’on appelle des fluctuations quantiques. Les fluctuations quantiques du vide, fluctuations du niveau d’énergie en un point de l’espace, sont un fait scientifique, mis en évidence par l'effet Casimir, attraction entre deux plaques due à une certaine énergie du vide.
Voilà donc que le vide peut engendrer de l’énergie ! Or l’énergie est de la matière potentielle (conformément à E = mc2). La matière n’est microscopiquement qu’évanescence énergétique.
Les physiciens ne défendent pas tous le même ordre de grandeur concernant la quantité d’énergie disponible par centimètre cube. La valeur de 10-29 g/cm3 est communément admise : c’est très peu, mais imaginez à l’échelle de l’Univers. S’il y a bien une chose que l’on puisse affirmer, c’est qu’on ne manque pas de vide pour puiser de l’énergie !
L’énergie du vide s’apparente au mouvement perpétuel, fantasme d’un mouvement sans apport externe d’énergie. En fait, une machine capterait son énergie au sein même de l’espace-temps, car l’énergie du vide est une propriété inhérente de l’espace-temps : du fait même qu’il y ait un espace et un certain temps qui passe, il y a quelque chose, donc de l’énergie potentielle. Or, la maîtrise de l’énergie du vide est un enjeu crucial pour toute l'Humanité.

Transformations conformes spéciales

Le vide est conformément invariant et également invariant par dilatation. C’est l’autre manière d’exprimer le fait que le vide tout seul n’est pas suffisant pour définir des longueurs, puisqu’il ne fixe pas un facteur d’échelle. La matière est nécessaire pour cela. En fait, les transformations conformes (spéciales) ne sont pas des symétries représentatives de situations contenant de la matière. Seul l’espace vide est conformément invariant, la nature dans son intégralité ne l’est pas.
L’invariance conforme implique la symétrie par renversement, c’est – à – dire que les grandes échelles et les petites échelles d’un espace vide sont reliées. Cela suggère que la constance de la vitesse de la lumière est associée à l’existence d’une symétrie par renversement.
Nota
Les transformations sont qualifiées de conformes lorsqu’elles ne changent pas les angles pour des formes (infinitésimalement) petites. Elles laissent par conséquent la morphologie (d’objets infinitésimalement petits) intacte. Elles sont qualifiées de spéciales lorsque le groupe conforme tout entier contient les dilatations et aussi les transformations de LORENTZ non homogènes.
Remarque
Puisque les dilatations ne permutent pas avec les translations dans le temps, il n’existe aucune quantité conservée associée à cette symétrie. Au contraire, les rotations et les translations dans l’espace permutent avec les translations dans le temps et conduisent donc à des quantités conservées.

Action d’une particule libre et différence entre espace et temps

- 1) Exposer le mouvement relativiste d’une particule libre en termes de principe extrémal nécessite la définition de l’action. Or l’action physique est une mesure du changement qui intervient dans un système. Pour une particule libre ou en mouvement inertiel, le seul changement est celui du temps. Par conséquent, l’action d’une particule libre sera proportionnelle au temps propre écoulé. L’expression de l’action pour une particule libre est :
S = - mc2 ∫dζ où ζ est le temps propre le long de la trajectoire.
Elle implique la conservation de l’énergie et de l’impulsion (relativiste), puisque la variation du temps propre est maximale pour un mouvement en ligne droite avec une vitesse constante.
Nota
Le temps propre est maximal lorsque la différence entre l’énergie cinétique et l’énergie potentielle est minimale. La relativité restreinte montre que la nature minimise le changement en maximisant le temps propre.
- 2) L’espace – temps plat est nécessaire pour définir la matière. Des distinctions entre l’espace et le temps se révèlent possibles uniquement aux basses énergies de la vie courante.
En relativité générale, il est supposé que nous vivons dans un espace – temps (pseudo RIEMANNIEN) de courbure variable. La courbure est un observable, qui est relié à la distribution et au mouvement de la matière et de l’énergie de la manière décrite par les équations de champ.
L’invariance par difféomorphisme fait qu’il est impossible de distinguer l’espace du temps dans le cadre de la relativité générale.
Plus explicitement, la coordonnée x0 ne peut pas être uniquement identifiée au temps physique t. Cette identification n’est possible qu’en relativité restreinte. Dans celle –ci, l’invariance sous la transformation de LORENTZ de l’espace et du temps différencie l’énergie, la quantité de mouvement et le moment cinétique comme étant des observables fondamentales. Les propriétés de la matière sont toujours définies en utilisant des descriptions de l’espace – temps de la relativité restreinte.
Aucune distinction n’est aussi possible entre l’espace et le temps en mécanique quantique. La masse et l’espace – temps sont sur un pied d’égalité, et dans un certain sens, les particules et le vide sont constitués de la même substance.

Recherche d'une forme unique d'énergie

La relativité a apporté plusieurs changements de perspective sur le concept d’énergie. La relativité restreinte (1905) obligea à considérer, pour une particule ponctuelle, les coordonnées de position et le temps comme des variables pouvant se combiner entre elles lorsqu’on change de repère ; elles forment les quatre composantes d'une seule entité, un quadrivecteur. De même, l’énergie se combine aux trois coordonnées du vecteur quantité de mouvement (ou moment) pour former un quadrivecteur, de sorte qu’énergie et moment sont des grandeurs de nature similaire. La dualité entre temps et énergie apparaît ainsi sous un jour nouveau, en parallèle avec la dualité entre position et moment. De plus, la relativité fixe la constante additive arbitraire qui pouvait être incluse dans la définition pré-relativiste de l’énergie.

Dans sa théorie de la relativité, Einstein établit l'existence de deux formes d'énergie seulement :
- Energie cinétique
Cette énergie est due à la masse et à la vitesse relative d’un corps.
- Energie de masse (ou équivalence entre masse et énergie au repos)
Einstein a mis en évidence une relation à trois composantes : la constante de la vitesse de la lumière dans le vide, l’énergie et la masse. C’est la fameuse équation d’équivalence E = mc2 qui se trouve au confluent des principes de la mécanique, du principe de relativité et de la théorie électromagnétique. Cette forme d'énergie inclut toutes les formes d'énergies dans la vision classique.
La gravité n'est une force que dans la théorie newtonienne. Dans la Relativité Générale d'Einstein, c'est une relation entre densité d'énergie et courbure d'espace-temps. Toute énergie courbe l'espace-temps, c'est-à-dire infléchit les trajectoires.
Afin d’expliquer la loi de Planck, qui régit la manière dont l’énergie se distribue selon les fréquences dans un rayonnement comme celui du Soleil, il faut quantifier le rayonnement, c’est-à-dire le représenter comme une assemblée de particules, les photons. En conséquence, l’énergie d’un rayonnement ne peut prendre que des valeurs discrètes, égales à la somme des énergies des photons qui le constituent. Les progrès ultérieurs de la physique quantique ont montré que la quantification de l’énergie est un phénomène général. L’énergie de tout système fini ne varie pas de façon continue ; elle ne peut prendre que certaines valeurs discrètes bien définies. Cette propriété contraste avec notre expérience courante, qui semble indiquer que l’énergie est une grandeur continue. Cependant, à notre échelle, les valeurs permises pour l’énergie d’un système comportant un grand nombre de constituants élémentaires sont certes discrètes, mais si denses que leur caractère discontinu est invisible.
La microphysique a fait aussi découvrir d’autres aspects de l’énergie, associés à l’évolution au cours du temps. A l’échelle microscopique, la dynamique d’un système est engendrée, en mécanique quantique comme en mécanique analytique, par un hamiltonien, fonction des positions et moments des constituants élémentaires égale à la somme de leurs énergies cinétique et d’interaction (le potentiel d’interaction, qui figure ainsi directement dans le lagrangien ou le hamiltonien, présente un caractère plus fondamental que les forces, grandeurs qui en découlent). En termes de particules élémentaires, il n’y a ni dissipation, ni irréversibilité, ni chaleur : ces notions émergent par passage à l’échelle macroscopique. L’avènement de la mécanique quantique n’a guère modifié ces principes, mais nous devons désormais considérer les positions, moments et autres grandeurs dynamiques non plus comme des variables qui commutent mais comme des opérateurs. Tout objet physique, décrit par un opérateur, se comporte comme une variable aléatoire, qui peut présenter des fluctuations autour de sa valeur moyenne. L’énergie s’interprète alors comme valeur moyenne de l’opérateur hamiltonien H.
Les fluctuations statistiques relatives de celui-ci sont faibles pour un système macroscopique, de sorte que le caractère probabiliste de l’énergie est masqué à notre échelle.
De plus, à un instant donné, l’état d’un système quantique défini aussi bien que possible est représenté par une fonction d’onde Ψ ; l’évolution de celle-ci se décrit mathématiquement par l’équation de Schrödinger (1926), ih ∂Ψ / ∂t = HΨ, où l’opérateur hamiltonien agit sur la fonction d’onde et où h = 2π h = 6,6 ×10-34 Js est la constante de Planck.
Dans le cadre de la dynamique, l’énergie et le temps apparaissent ainsi comme des grandeurs conjuguées (c’est l’énergie et l’inverse de la température qui doivent en thermodynamique être considérées comme conjuguées). Cette correspondance entre temps et énergie, issue de l’équation de Schrödinger, fait intervenir la constante de Planck, les variables conjuguées étant en toute rigueur E et t / h. Elle se voit encore plus clairement lorsque l’on considère un état quantique stationnaire, décrit par une fonction d’onde dont seule la phase varie au cours du temps, en oscillant avec une fréquence ν ; le hamiltonien prend alors une valeur bien définie E. Cette énergie E est alors reliée à la fréquence ν (ou à la période de l’onde) par la relation dE = nhν.

• dE sont les échanges d’énergie d’émission et d’absorption ;
• n est un nombre entier ;
• h est le quantum d’action qui apparut bientôt comme l’une des constantes ; fondamentales de la nature (constante de Planck = 6,626068 × 10-34 m2 kg / s) ;
• ν est la fréquence de la lumière.


Etant donné que d'une part force et énergie soient liées, et que d'autre part énergie et temps soient tout aussi intimement liés, il est préférable de rechercher une équation unifiant toutes les formes d'énergie plutôt que de rechercher un cadre théorique unifié aux quatre forces d'interaction universelles.

La question qui se pose alors est la suivante : comment l'énergie E propre à l'équation E = mc2 (qui se trouve au confluent des principes de la mécanique classique, du principe de relativité et de la théorie électromagnétique) s'est transformée en une autre énergie E' propre à l'équation E' = hν (qui explique les échanges d'énergie d'absorption et d'émission) pour assurer cette continuité entre l'infiniment petit (espace – temps plat) et l'infiniment grand (espace – temps courbe). Ou bien s'agit – il de deux énergies distinctes ayant fondamentalement une même nature ?

L'espace – temps unitaire

Une conception des référentiels galiléens rigoureusement conforme à la réalité nécessite au moins deux constantes et non une seule comme en relativité restreinte ou aucune comme en mécanique classique.
A chacune des deux théories sus – citées est associée une constante fondamentale. A la théorie gravitationnelle est associée la constante gravitationnelle — ou constante de Newton — et à la théorie quantique est associée la constante quantique — ou constante de Planck. Après avoir découvert les trois constantes, gravitationnelle, quantique et relativiste, on a remarqué que l'on pouvait les combiner pour former une longueur dite " rayon de Planck " et une durée dite " temps de Planck ". Comparés à toutes les longueurs et durées mesurées jusqu'à présent, ce rayon de Planck (10-35 mètre) et ce temps de Planck (10-43seconde) sont infimes : le plus petit champ d'observation actuel — atteint avec les accélérateurs de particules — est de l'ordre du milliardième de milliardième de mètre (10-18 mètre) et le rayon de Planck est le milliardième de milliardième de cette longueur.
Ceci étant, on peut présenter la nouvelle conception de l'espace-temps suggérée par les données fondamentales. L’hypothèse est la suivante :
Deux constantes fondamentales sont associées à l'espace-temps et, paradoxalement, les trois coordonnées spatiales ne suffisent pas pour repérer sans ambiguïté dans l'espace physique tridimensionnel et la coordonnée temporelle ne suffit pas pour repérer sans ambiguïté dans le temps unidimensionnel. Un repérage parfait exige des coordonnées supplémentaires qui ne sont ni des longueurs ni des temps, mais les inverses de longueurs et de temps. Si l'on n'a jamais pris conscience jusqu'à présent de la nécessité de ces coordonnées supplémentaires, c'est notamment parce que l'on n'a jamais observé jusqu'à présent des distances et durées suffisamment petites — et a fortiori ponctuelles. En effet, ces coordonnées supplémentaires sont multipliées par une constante de valeur infime, mais non nulle : cette constante est le produit du rayon de Planck et du temps de Planck (10-78 mètre.seconde). On l'appelle " constante quanto – gravitationnelle" ou " constante unitaire " car elle est directement proportionnelle au produit de la constante quantique et de la constante gravitationnelle. Dans les actuelles conceptions, relativistes comme classiques, de l'espace et du temps, on annule involontairement la constante unitaire, et les coordonnées supplémentaires multipliées par cette constante sont alors négligées. Cette annulation de la constante unitaire équivaut à négliger non seulement des coordonnées mais aussi les caractères quantiques et gravitationnels de l'espace et du temps. L'actuelle conception relativiste de l'espace-temps n'est qu'une approximation de ce qu'est réellement l'espace-temps.

Nota (1): Lorsque l’on parle de l’espace — plus précisément des coordonnées spatiales — (x, y, z) = r ou du temps t ou, comme en relativité, de l’espace-temps (r, t) on parle de point : point spatial ou point temporel (instant) ou point spatio-temporel (événement). Or le point n’est-il pas le corpuscule idéal ? Dire « r », « t » ou « (r, t) » n’est-ce pas parler uniquement en termes de corpuscule ?
C’est ce que stipule l’hypothèse de l’espace-temps unitaire.
La conception de l’espace-temps sous la forme (r, t) est une conception purement corpusculaire dans laquelle on néglige toute la nature ondulatoire de l’espace-temps (plus précisément du repérage, qui est le premier acte d’observation, la première expérience, première mesure).
L’espace-temps c’est [(r, Ω), (t, K)] où (Ω, K), inverses d’un temps et d’une longueur, sont les caractéristiques d’une onde : fréquence temporelle et fréquence spatiale (vecteur d’onde).
Lorsque l’on parle du temps t ou de l’espace r on fait l’approximation
hG/c4 = 10-78 m.s = 0 car : le temps ce n’est pas t mais [t, (hG/c4) K] et l’espace ce n’est pas r mais [r, (hG/c4) Ω].
L’hypothèse démontre pourquoi cette approximation passe jusqu’à présent inaperçue (car on peut déjà ici remarquer l’extrême petitesse de hG/c4).
Cette hypothèse implique que toutes les théories physiques — et toute la science — sont jusqu’à présent approximatives y compris la théorie quantique, qui, elle, est de plus incohérente car d’un côté on y affirme la dualité onde – corpuscule et d’un autre côté on nie, jusqu’à présent inconsciemment, cette dualité simplement en parlant partout de « r » au lieu de
« (r, Ω) » et de « t » au lieu de « (t, K) » (d’où sans doute les problèmes d’interprétations que pose toujours actuellement cette théorie).

Nota (2) : Actuellement on annule involontairement la constante unitaire non seulement en physique classique mais aussi en physique relativiste (relativité restreinte). De même que la physique classique est valide seulement pour les vitesses très inférieures à la vitesse de la lumière, la physique relativiste est valide seulement pour les distances et durées très supérieures aux rayon et temps de Planck.

Nota (3) : Placer une théorie quanto – gravitationnelle dans le cadre jusqu'à présent le plus général qu'est le cadre relativiste ne peut pas résoudre le problème de l'unification quanto – gravitationnelle car l'erreur est dans ce cadre relativiste lui- même.
La conception relativiste de l'espace-temps contient des approximations qui équivalent à annuler la constante quantique et la constante gravitationnelle et qui entraîne la négligence de coordonnées ondulatoires. Cette conception néglige les natures quanto –gravitationnelle et ondulatoire de l’espace-temps et en premier lieu des référentiels galiléens.
La nouvelle conception de la position donne un caractère quantique et gravitationnel à tout référentiel, même galiléen. Elle fournit une explication à l’immédiate et persistante difficulté à unifier quantique et gravitation. Une forme plus avancée de l’hypothèse fait — via la constante unitaire — d’une pulsation et d’une ondulation de véritables coordonnées. Quantique et gravitation sont intégrées dans et dès la conception du référentiel galiléen et une définition de la position spatio – temporelle est homogène à l’énergie – impulsion. A l’instar des deux concepts d’onde et de corpuscule — concepts approximatifs non quantiques fusionnés en l’unique concept de quanton — les deux concepts de matière et d’espace – temps apparaissent comme deux concepts approximatifs non quanto – gravitationnels à dépasser.
En effet, l'hypothèse invite à considérer les quantons — la matière — non comme quelque chose « dans l'espace-temps » mais comme de l'espace-temps en soi. Plus précisément, les deux concepts de matière et d'espace-temps seraient deux approximations non quanto-gravitationnelles d’un unique concept, seul rigoureusement conforme à la réalité.

Nota (4) : L’hypothèse de l’espace – temps unitaire démontre comment toute la science actuelle peut être à la fois imperceptiblement et extrêmement faussée !
La science classique montre qu'avec une science faussée on peut fort bien résoudre des problèmes. Mais le but n'est pas de résoudre des problèmes c'est de résoudre tous les problèmes. Et ceci par contre est impossible avec une science faussée !
Une science faussée engendre probablement une approche perverse qui commence par résoudre de grands problèmes pour finir par en poser de plus grands encore ! (A suivre)