Antigravitation — 1 : Ce qu’elle est et n’est pas

Je consacre une série de trois articles à ce vaste sujet, car j’en ai long à dire. Ne ratez pas de les lire tous, des surprises de taille vous attendent.

Mais avant de savoir si l’antigravitation existe ou peut exister, il faut comprendre quelques principes de base dont ceux concernant évidemment la gravitation.

Détournement de sens

Dans la culture populaire, on mélange aisément plusieurs concepts physiques en donnant à des phénomènes des noms inappropriés et l’antigravitation souffre malheureusement de l’ignorance des gens qui utilisent ce terme à tort et à travers.

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Tout comme les oiseaux et les avions qui parviennent à combattre la gravitation en lui opposant une force ayant une composante verticale de sens opposé, ils ne créent pas une force antigravitationnelle pour autant.

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L’aimant soulevant des clés ne développe pas une force antigravitationnelle. Un objet volant grâce à des forces électromagnétiques ne produit pas non plus une force antigravitationnelle.

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Toutes ces forces n’ont rien à voir avec la nature de la gravitation, même si elles parviennent à s’y opposer. Ce ne sont que des cas de forces très distinctes qui se compensent ou s’additionnent selon l’angle créé entre les différentes forces en présence (addition vectorielle).

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Une force qui s’oppose à la gravitation ne s’appelle pas une force antigravitationnelle. Pour savoir ce qu’est réellement une force antigravitationnelle, il faut tout d’abord bien comprendre ce qu’est la force gravitationnelle.

La gravitation

Depuis les travaux d’Einstein publiés en 1915, on sait que la gravitation est une force attractive engendrée par la déformation de la trame d’espace-temps causée par les masses qui s’y trouvent. Les masses attirent à elles toutes autres masses parce que le tissu de l’espace-temps s’est déformé en conséquence. Bien qu’étant mieux ressentie à proximité d’un objet massif, cette force s’exerce sans limites de distance.

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De façon imagée, les masses creusent la structure de l’espace-temps, elles ne la surélèvent pas. Ce faisant, la force gravitationnelle est toujours de signe positif, indiquant une attraction des masses.

Son opposé, la véritable antigravitation

L’antigravitation serait le phénomène exactement opposé à celui-ci. Ainsi, quelque chose devrait être en mesure de surélever la trame de l’espace-temps afin de générer une force qui tendrait à éloigner les objets les uns des autres, générant une force gravitationnelle de signe négatif, répulsive, une antigravitation. Pour reprendre l’image de la trame, l’antigravitation génèrerait dans celle-ci des bosses plutôt que des creux. Les creux, font de la trame un attracteur. Les bosses créées par l’antigravitation en feraient un diffuseur, un disperseur des masses.

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On sait maintenant ce qu’est la véritable antigravitation.

Dans le prochain article, il sera question de comparer la gravitation aux autres forces de la Nature afin de bien comprendre de quoi il en retourne. La piste de l’antimatière sera mise à l’épreuve.

***** À suivre demain *****

 

Verra-t-on un trou noir en 2018 ? (2)

Cet article fait suite à celui d’hier.

En résumé, un trou noir, c’est un point de l’espace infiniment petit et dans lequel la matière entassée dedans est devenue infiniment dense. Alors pour voir un point infiniment petit… noir… et très éloigné, on peut se demander si les astronomes ne sont pas tombés sur la tête !

Je vais donc introduire un autre concept qu’il faut connaitre provenant de cet hirsute personnage, mais un peu plus génial que moi, Albert Einstein. Il y a 103 ans, sa théorie de la relativité générale nous apprenait que l’espace-temps se déforme lorsqu’il y a de la matière. Et plus cette matière est dense, plus l’espace se déforme.

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L’image classique est celle du trampoline avec une boule de quilles au centre. Remplacez la boule de quilles par une boule d’or, puis par une boule d’uranium, plus la matière est massive, plus le trampoline s’enfonce autour de l’objet. Placez-y maintenant un trou noir, le trampoline se déforme tellement que sa trame devient un puits sans fond. Ainsi, autour d’un trou noir, la trame d’espace-temps se creuse à l’infini.

 

Ce puits attire donc les objets environnants, mais également tout ce qui s’en approche trop, lumière incluse. Ce n’est pas le trou noir qui attire la lumière, c’est l’espace qui a pris la forme d’un entonnoir. La lumière ne fait que suivre la géométrie de cet espace qui plonge sans fin. On dit qu’elle suit la géodésique de l’espace-temps.

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Si la lumière passe trop près, sa géodésique va l’amener inexorablement dans le puits. Si la lumière passe plus loin, l’espace-temps n’est pas suffisant déformé pour que la géodésique l’amène dans le puits. On comprend donc qu’il y a une limite entre le « juste un peu trop près, je tombe » et le « juste assez loin, je m’en sors ».

Sous cette limite, la lumière est piégée par le puits spatiotemporel. Au-delà, elle parvient à poursuivre sa trajectoire. Puisque le puits gravitationnel est tridimensionnel (sa déformation se crée dans les 3 dimensions d’espace), la limite est également tridimensionnelle. Elle prend donc l’apparence d’une sphère. Et puisque toute lumière passant sous cette limite est irrémédiablement piégée dans le puits, cette sphère ne peut émettre aucune lumière. Elle est donc parfaitement noire. On a l’impression que le trou noir a une bonne dimension puisqu’on voit une grosse sphère noire. Cependant, le trou noir reste un point infinitésimalement petit. La sphère noire autour du trou noir est simplement un effet créé par le trou noir, ce n’est pas le trou noir. Cet effet visuel ne contient rien, ni matière, ni lumière, sauf en son point central infiniment petit. Cependant, on a l’impression de voir le trou noir.

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La surface de cette sphère parfaitement noire se nomme l’horizon des événements du trou noir. Plus le trou noir sera massif, plus cet horizon gonflera, puisque l’espace déformé s’agrandit de plus en plus. On a l’impression de voir le trou noir grossir. C’est toujours l’horizon des événements qui grossit, pas le trou noir qui reste toujours, peu importe la masse engloutie, un point infiniment petit.

Donc, mon titre est un peu racoleur puisqu’on ne peut voir que l’horizon des événements d’un trou noir, pas le trou noir comme tel.

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Toutefois, les astronomes eux-mêmes parlent de voir un trou noir. Vous pourrez donc corriger leur abus de langage la prochaine fois que vous croiserez un astronome au supermarché. « Tut, tut, tut ! horizon des événements mon ti-noir ! Tu ne me passeras pas un horizon pour un trou ! »

Bon, maintenant on sait qu’on peut admirer l’effet d’un trou noir sur l’espace qui l’entoure, ça ressemble à une sphère toute noire, ça s’appelle un horizon des événements, ça peut donc s’observer.

Demain, on verra comment s’y prendre pour voir des horizons des événements qui sont passablement petits. Et les trous noirs supermassifs alors ? On aurait probablement plus de chance avec ceux-là.

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Prof 101

Le sujet de cet article m’a été inspiré par Mimika [lespetitesastucesdemimika.com]

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Je m’émerveille toujours lorsque je vois une personne comprendre une notion qui semblait nébuleuse, trop compliquée, incompréhensible, insaisissable. Puis soudain, grâce à une explication, une comparaison, une analogie ou une image, la lumière de la compréhension surgit en éblouissant son visage, la rendant plus lumineuse que le soleil. 

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Parfois, la magie opère dans le sens contraire. Une personne a toujours cru et considéré qu’un truc fonctionnait de telle ou telle façon et, tout à coup, sortant d’un chapeau, la vraie explication vient la frapper en plein front. Ce qui lui avait semblé simple et évident lui montre tout à coup ses vraies couleurs. Instantanément, des liens se tissent avec d’autres éléments et certaines pièces manquantes d’un grand puzzle viennent tout à coup d’apparaitre comme par enchantement et prendre place sans effort dans la grande trame des connaissances qui, quelques fois, avait été tissée de travers.

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Un professeur a l’immense privilège d’être assis aux premières loges pour voir ces transformations survenir. Les gynécologues et les sages-femmes aident les mères à accoucher de leurs bébés. Un prof aide les gens à enraciner les connaissances dans le meilleur terreau possible et aussi à les faire accoucher de leurs meilleures idées. Elles sont toutes deux des naissances, des con-naissances fraichement mises au monde.

Frapper sur la tête d’un clou n’incruste pas les connaissances, les répétitions oiseuses ne font qu’affaiblir le clou qui finira par plier. Les liens tissés entre les différents éléments de connaissance s’avèrent certainement plus efficaces que les scies répétées ad nauseam. Diversifier les points de vue est certainement l’un des exercices les plus complexes qu’un prof est appelé à exécuter. S’il possède sa matière à fond, il sera en mesure d’alterner les angles de vues, de varier les perspectives, sans jamais perdre le fil, ni le nord de la matière à enseigner.

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Un exercice encore plus périlleux pour le prof que des exercices de changements de perspectives, ce sont les analogies. La Nature est bien faite et parfois, les règles gagnantes dans un domaine de connaissances peuvent être transposées dans un autre domaine. Toutefois, les analogies bancales pleuvent bien trop souvent. Et plutôt que d’aider l’étudiant, elles risquent de l’embrouiller définitivement. Si un étudiant éprouve des difficultés à comprendre un principe quelconque, ce n’est certainement pas en l’enlisant dans de mauvaises comparaisons qu’il en sortira meilleur.

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Un prof qui ne possède pas sa matière sera souvent incapable de dévier de son cursus et frappera la tête des clous sans arrêt, espérant que sa trente-neuvième tentative sera la bonne. S’il est animé de bonnes intentions, il cherchera une analogie. Toutefois, sans compréhension approfondie de sa propre matière, chercher une explication dans un autre domaine encore moins maitrisé est voué à n’engendrer que des absurdités.

Et vous, étudiant, lorsque vous subissez ces mauvais enseignements, vous vous traitez de cancre pour ne pas comprendre la matière enseignée, ni comprendre l’analogie, ni comprendre le lien (souvent inexistant) reliant l’une à l’autre.

Un professeur compétent a respecté trois règles primordiales de l’enseignement.

1. Il possède la matière qu’il enseigne dans le domaine d’études en question.
2. Il possède la matière qu’il n’enseigne pas dans le domaine d’études en question
3. Il possède la matière qu’il n’enseigne pas dans d’autres domaines d’études.

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Un prof aux connaissances trop étroites cognera sur la tête des clous et il se verra incapable de forger des analogies pertinentes. Il ne pourra pas mettre les connaissances en perspective, les attacher les unes aux autres, en extrapoler les effets sur les prochains niveaux de connaissances. Il se bornera à jouer le rôle de perroquet.

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L’enseignement se rapproche d’être un art, car il semble si facile lorsqu’il est exécuté avec maitrise et il semble si laborieux lorsqu’un néophyte s’y risque.

Mais attention, un bon prof n’est pas qu’une encyclopédie. Si l’étendue et la variété de ses connaissances sont essentielles, plusieurs autres facteurs influenceront le succès ou l’échec de leurs transmissions.

J’en parlerai dans un prochain article.

Photon noir

Le CERN reprend ses activités, mais pas avec le LHC, avec le SPS. Bon, d’accord, je vais continuer en français. Le Centre européen pour la recherche nucléaire recommence ses expériences en utilisant le Super Synchrotron à Protons, un accélérateur circulaire plus petit que le fameux Large Hadron Collider utilisé dans la traque du boson de Higgs.

Cette fois-ci, les scientifiques du CERN cherchent des traces du photon noir, une particule hypothétique qui serait responsable d’interactions entre la matière ordinaire et la matière noire. Cette expérience est nommée par le sigle NA64.

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D’après la théorie actuelle, l’Univers serait composé de 15 % de matière telle qu’on la connait et de 85 % de matière dite noire puisqu’elle est invisible, n’interagissant pas avec les photons. Cette fameuse matière noire permet de consolider les galaxies qui, sinon, se disloqueraient tellement leur vitesse de rotation est grande. Mais grâce à ce surplus de masse, elles forment leurs belles spirales sans que leurs étoiles s’éparpillent.

Seules des observations gravitationnelles de ce genre, ainsi que les effets de lentilles gravitationnelles nous laissent croire que la matière noire existe réellement. Toutefois, elle n’est jamais apparue dans les expériences au CERN ou ailleurs. On pense être en mesure de confirmer son existence en s’attaquant à son transmetteur de force qui serait un type de photon différent des grains de lumière que l’on connait, qui n’émet aucune lumière (onde électromagnétique) et qui par conséquent est invisible, de là son qualificatif «noir».

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Tout ceci n’est qu’hypothétique, mais si on ne parvient pas à découvrir ce photon noir et d’y associer une cinquième force, la théorie de l’existence de la matière noire va prendre du plomb dans l’aile. S’ensuivrait une remise en question de la théorie de la gravitation énoncée par Einstein en 1915, sa fameuse relativité générale.

Puisque cette théorie n’a jamais été prise en défaut, dans aucune expérience, soit elle est juste et la matière noire existe réellement, soit la matière noire n’existe pas et la relativité générale est fausse malgré nos résultats expérimentaux actuels qui atteignent des niveaux de précision extrêmes.

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Le questionnement est majeur puisqu’il touche à 85 % du contenu de l’Univers en fait de matière ou à l’avènement d’une théorie de la gravitation interagissant différemment aux petites et aux distances moyennes et grandes, c’est-à-dire de la dimension des galaxies et plus encore.

On a toutes les preuves que nos théories coincent quelque part, pourtant l’Univers a très bien su dissimuler la façon dont il fonctionne. Présumer l’existence du photon noir et de sa matière noire est une tentative théorique qui nous permettrait de nous dépêtrer de ce bourbier dans lequel la physique des particules et de la gravitation est enfoncée depuis plus de 85 ans.

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Oui, déjà en 1933, un astronome du nom de Fritz Zwicky avait présumé de l’existence d’une matière invisible en mesurant la vitesse de rotation des galaxies. Ce dernier s’est mis la communauté des astronomes à dos lorsqu’il les a tous traités de «bâtards, peu importe dans quel sens on les regarde», mais il avait raison puisqu’ils s’étaient alors totalement désintéressés de ses résultats d’observation qui jetaient un très lourd pavé dans leur mare à canards.

Mais eux qui voyaient Zwicky comme leur vilain petit canard ont dû admettre, bien plus tard, malheureusement, qu’il avait parfaitement raison. Un scientifique de plus à rejoindre le plateau de la balance des génies désavoués qui ont osé dire différemment de la majorité, voire de la totalité des gens de leur profession.

Un bien grand carré de sable

Ça commence à être connu, l’antimatière est semblable à de la matière ordinaire sauf pour les charges électriques qui sont inversées. Ses électrons sont des positrons et les noyaux de l’antimatière sont négatifs plutôt que positifs. Jusqu’ici rien de très excitant si ce n’est que l’une déteste l’autre. Matière et antimatière s’annihilent joyeusement dès qu’elles entrent en contact. Cette transformation de masse en énergie ne laisse aucun résidu, aucun produit dégénéré, aucun déchet. Toute la masse se transforme en énergie pure et nous en connaissons la quantité ainsi produite. Il suffit de la calculer en utilisant la fameuse loi « E = mcc » de mon bon ami Einstein. C’est la quintessence de la transformation énergétique. Il n’existe absolument rien de plus performant. Cela attribue à un gramme de plutonium exactement la même énergie qu’à un gramme de plumes d’oie. Lorsqu’un gramme de matière (n’importe laquelle) est mixé avec un gramme d’antimatière, il en résulte 25 000 kilowattheures, de quoi alimenter annuellement 2 000 foyers.

Toutefois, il reste bien des mystères à élucider à propos des deux sœurs presque jumelles. Elles ne sont pas rigoureusement identiques, sinon notre Univers entier se serait transformé en énergie totale lorsqu’elles se sont crêpé le chignon tout de suite après le big bang. Et puisque nous vivons dans un univers peuplé de matière, celle-ci a donc gagné son combat fratricide. Toutefois, on ne l’explique pas encore tout à fait. On ignore exactement comment l’avantage de l’une sur l’autre est survenu. On a bien quelques pistes de solutions du côté de ce qu’on appelle des brisures de symétries, mais ça ressemble plus à une tautologie qu’à une explication. On estime qu’il est resté une particule de matière pour un milliard de particules détruites. Ça semble peu, mais c’est beaucoup lorsqu’on regarde avec la lorgnette du « pourquoi ».

L’antimatière n’est pas totalement absente de notre quotidien. L’énergie du vide se transforme spontanément en matière sous forme de paires particules-antiparticules qui se retransforment en énergie en s’annihilant. Cette danse funeste nous rappelle que rien dans l’univers n’est stable, pas même le vide, surtout pas le vide.

Produire suffisamment d’antimatière nous permettrait d’embarquer une quantité restreinte de carburant dans nos vaisseaux spatiaux qui pourraient voyager plus vite, donc plus loin. Les scientifiques y travaillent, mais le défi reste de taille. Deux gros problèmes doivent être résolus. Le premier vient du confinement, éviter que l’antimatière touche aux parois de ses contenants qui sont inévitablement faits de matière. Le second est une question de quantité. Si l’on parvient aujourd’hui à fabriquer de l’antimatière, par contre la quantité produite ne permet que des expérimentations très sommaires. Pas plus que quelques atomes. Rien de comparable à ce qui serait nécessaire pour alimenter des moteurs d’engins spatiaux.

Pour l’instant, cette énergie formidable continue de nous échapper, mais on peut logiquement prétendre que des civilisations plus avancées que la nôtre ont déjà les technologies requises pour produire une bonne quantité d’antimatières tout en la confinant adéquatement. N’y voyez aucun miracle, juste une question de savoir-faire. Un jour viendra où nous y arriverons et dès lors, notre Galaxie tout entière deviendra à nous aussi notre carré de sable.