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Top 10 des mystères non résolus de la physique
Si vous avez déjà regardé un épisode de Star Trek ou La théorie du Big Bang, alors vous savez que la physique peut être rendue accessible aux masses de manière amusante. Nos scénaristes préférés de science-fiction et de comédie ne connaissent peut-être pas tous les détails, mais ils suscitent notre intérêt pour les aspects les plus étranges des théories scientifiques.
Aujourd'hui, nous allons parler de 10 vrais mystères que la physique n'a pas encore expliqués. De la communication extraterrestre au voyage dans le temps, en passant par les robinets volants, nous allons essayer de rendre ces mystères compréhensibles pour tous.
Vous voudrez peut-être même explorer ces sujets plus avant. Après tout, des millions de dollars attendent les personnes qui résolvent des énigmes cosmiques. (Lisez la suite pour savoir lequel de ces 10 mystères pourrait vous rendre riche.) Vous obtiendrez probablement un prix Nobel et changerez le monde aussi.
10 D'où viennent les rayons cosmiques ultra-haute énergie?
Notre atmosphère est constamment frappée par des particules de l’espace extra-atmosphérique de haute énergie. On les appelle des «rayons cosmiques». Bien qu'ils ne causent pas beaucoup de tort à l'homme, ils ont fasciné les physiciens. L’observation des rayons cosmiques nous a beaucoup appris sur l’astrophysique et la physique des particules. Mais il y en a, ceux qui ont le plus d'énergie, qui sont mystérieux à ce jour.
En 1962, lors de l'expérience Volcano Ranch, les Dr John D. Linsley et Livio Scarsi ont vu quelque chose d'incroyable: un rayon cosmique à très haute énergie d'une énergie de plus de 16 joules. Pour vous donner une idée, un joule représente à peu près l'énergie nécessaire pour soulever une pomme du sol sur une table.
Toute cette énergie est cependant concentrée dans une particule cent fois milliard plus petite que la pomme. Cela signifie qu'il voyage très près de la vitesse de la lumière!
Les physiciens ne savent pas encore comment ces particules obtiennent cette quantité incroyable d’énergie. Certaines théories incluent l’idée qu’elles pourraient provenir de supernovae, lorsque les étoiles explosent en fin de vie. Les particules peuvent également être accélérées dans les disques de matière collabée qui se forment autour des trous noirs.
9 Notre univers était-il dominé par l'inflation?
L'univers est incroyablement plat sur de grandes échelles. C'est ce qu'on appelle le «principe cosmologique» - l'idée que partout où vous allez dans l'univers, il y a à peu près le même nombre de choses en moyenne.
Mais la théorie du big bang suggère que, dès les temps les plus reculés, il devait y avoir de grandes différences de densité dans l'univers primitif. C'était donc beaucoup plus grumeleux que notre univers ne l'est aujourd'hui.
La théorie de l'inflation suggère que l'univers que nous voyons aujourd'hui provient d'un très petit volume de l'univers primitif. Ce volume minime s'est développé soudainement et rapidement, bien plus rapidement que l'univers ne le fait aujourd'hui.
Tout comme si vous dessiniez un ballon puis le remplissiez d'air, l'inflation "étirait" toutes les bosses du début de l'univers et expliquait pourquoi nous avions un univers relativement plat - où les conditions sont identiques où que vous alliez - aujourd'hui.
Bien que cela explique beaucoup de choses sur ce que nous voyons, les physiciens ne savent toujours pas ce qui a causé l’inflation. Les détails de ce qui s'est passé pendant cette inflation sont également incomplets. Une meilleure compréhension de cette époque pourrait nous en apprendre beaucoup sur l'univers tel qu'il est aujourd'hui.
8 Pouvons-nous trouver de l'énergie noire et de la matière noire?
C'est un fait étonnant: environ 5% de l'univers est constitué de la matière visible. Les physiciens ont remarqué il y a quelques décennies que les étoiles sur les bords extérieurs des galaxies gravitaient autour du centre de ces galaxies plus rapidement que prévu.
Pour expliquer cela, les scientifiques ont suggéré qu'il pourrait y avoir dans ces galaxies de la matière «sombre» invisible qui a provoqué une rotation plus rapide des étoiles. Après cela, les observations de l'univers en expansion ont amené les physiciens à conclure qu'il devait y avoir beaucoup plus de matière noire, cinq fois plus que la matière visible.
Parallèlement à cela, nous savons que l'expansion de l'univers est en train d'accélérer. C'est étrange car nous nous attendions à ce que l'attraction gravitationnelle de la matière - à la fois «claire» et «sombre» - ralentisse l'expansion de l'univers.
Combinez cela avec le fait que l'univers est un espace-temps plat, globalement, il n'est pas incurvé et que les cosmologues ont besoin d'une explication pour quelque chose qui équilibre l'attraction gravitationnelle de la matière.
"L'énergie sombre" est la solution. La majeure partie de l'énergie de l'univers ne peut être enfermée dans la matière, mais elle entraîne l'expansion de l'univers. Les physiciens pensent qu'au moins 70% de l'énergie de l'univers est sous forme d'énergie noire.
Pourtant, à ce jour, les particules qui composent la matière noire et le champ qui constitue l’énergie noire n’ont pas été directement observés au laboratoire. L'observation de la matière noire est difficile car elle n'interagit pas avec la lumière, ce qui est généralement le cas avec les observations.
Les physiciens espèrent toutefois que des particules de matière noire pourraient être produites dans le Grand collisionneur de hadrons (LHC), où elles pourraient être étudiées. Il se pourrait que les particules de matière noire soient plus lourdes que tout ce que le LHC peut produire, auquel cas cela pourrait rester un mystère beaucoup plus longtemps.
L'énergie sombre est soutenue par de nombreuses observations de l'univers, mais elle reste profondément mystérieuse. Dans un sens très réel, il se peut que «l’espace aime simplement s’agrandir» et nous ne pouvons le voir grandir que lorsque nous examinons de très grandes échelles.
Ou peut-être que les explications concernant la matière noire et l'énergie noire sont incorrectes et qu'une toute nouvelle théorie est nécessaire. Mais il faudrait expliquer tout ce que nous voyons mieux que la théorie actuelle avant que les physiciens l’adoptent. Malgré tout, il est incroyable de penser que nous pouvons en savoir très peu sur environ 95% de l'univers.
7 Qu'est-ce qui se trouve au cœur d'un trou noir?
Les trous noirs sont parmi les objets les plus célèbres de l'astrophysique. Nous pouvons les décrire comme des régions de l'espace-temps avec des champs gravitationnels si puissants que même la lumière ne peut pas s'échapper.
Depuis qu'Albert Einstein a montré que la gravité «plie» l'espace et le temps avec sa théorie de la relativité générale, nous savons que la lumière n'est pas à l'abri des effets de la gravitation. En fait, la théorie d'Einstein a été prouvée lors d'une éclipse solaire qui a démontré que la gravité du Soleil faisait dévier les rayons lointains des étoiles lointaines.
Depuis lors, de nombreux trous noirs ont été observés, dont un énorme, supermassif, au cœur de notre propre galaxie. (Ne vous inquiétez pas. Le soleil ne sera pas englouti de si tôt.)
Mais le mystère de ce qui se passe au cœur d'un trou noir n'a toujours pas été résolu. Certains physiciens pensaient qu'il pourrait y avoir une «singularité» - un point de densité infinie avec une masse concentrée dans un espace infiniment petit. C'est difficile à imaginer. Pire encore, toute singularité conduit à un trou noir dans cette théorie, il est donc impossible d'observer directement une singularité.
Il existe encore un débat sur la perte d'informations dans les trous noirs. Ils absorbent les particules et les radiations et émettent des radiations Hawking, mais ces radiations ne semblent pas contenir d'informations supplémentaires sur ce qui se passe à l'intérieur du trou noir. Certaines informations sur les particules qui tombent au-delà de l'horizon des événements dans le trou noir semblent être perdues.
Le fait qu’il semble impossible, du moins pour le moment, de comprendre ce qui est au cœur des trous noirs a incité les auteurs de science-fiction à spéculer depuis des décennies sur le fait qu’ils pourraient contenir des univers différents, ou être utilisés pour la téléportation ou des voyages dans le temps.
Comme être absorbé par un trou noir implique d'être étiré dans une chaîne d'atomes («spaghettification»), nous ne souhaitons pas nous aventurer à l'intérieur pour le découvrir.
6 Y a-t-il une vie intelligente là-bas?
Les gens rêvent d’aliens aussi longtemps qu’ils ont levé les yeux vers le ciel nocturne et se sont demandé ce qui pourrait exister là-bas. Mais au cours des dernières décennies, nous avons découvert beaucoup d'éléments de preuve alléchants.
Pour commencer, les planètes sont beaucoup plus répandues qu'on ne le pensait, la plupart des étoiles ayant un système planétaire. Nous savons également que le décalage entre la surface habitable de notre planète et l’émergence de la vie sur celle-ci était assez réduit. Cela suggère-t-il que la vie est susceptible de se former? Si oui, nous avons le fameux «paradoxe de Fermi»: pourquoi n'avons-nous pas encore communiqué avec des extraterrestres?
Il existe de nombreuses solutions au paradoxe de Fermi, allant du plus sauvage au plus triste et banal. Cela montre vraiment la difficulté de tirer de bonnes conclusions scientifiques lorsque vous n’avez qu’un seul point de données: nous.
Nous savons que la vie intelligente a évolué sur cette planète (d'accord, c'est peut-être discutable), ce qui signifie que cela peut arriver. Mais nous ne pouvons pas savoir si nous avons eu une chance incroyable. Ou peut-être que notre planète a quelque chose de spécial qui la rend extrêmement rare mais appropriée pour accueillir la vie. Ou peut-être que la probabilité de commencer la vie est extrêmement faible, il y a donc peu de civilisations étrangères, voire aucune.
L'astronome Frank Drake a élaboré son «équation de Drake» pour examiner tous les aspects du problème. Chacun des termes représente une raison pour laquelle nous ne communiquons peut-être pas avec la vie intelligente.
La vie est peut-être commune, mais la vie intelligente est rare. Après un certain temps, toutes les civilisations décident peut-être de ne pas communiquer avec d'autres formes de vie. Ils sont là-bas, mais ils ne veulent pas nous parler.
Peut-être cela montre-t-il que de nombreuses civilisations extraterrestres se détruisent peu de temps après être devenues suffisamment technologiques pour communiquer. Nous pouvons nous inquiéter de ce qui se passe sur Terre avec des armes nucléaires ou une intelligence artificielle incontrôlable.
Il a même été suggéré que le manque de communication des extraterrestres est la preuve que le monde a été créé, soit par un Dieu, soit dans le cadre d'une simulation sur ordinateur. Cela expliquerait pourquoi il n'y a que nous. Les joueurs cosmiques jouent en mode solo.
En réalité, nous ne cherchons pas depuis si longtemps et l'espace est incroyablement vaste. Les signaux peuvent facilement se perdre et une civilisation extraterrestre devrait envoyer un puissant signal radio pour que nous puissions le capter. Mais il est excitant de penser que la découverte d’une civilisation extraterrestre pourrait avoir lieu demain et changer notre compréhension de l’univers pour toujours.
5 Quelque chose peut-il voyager plus vite que la vitesse de la lumière?
Depuis qu'Einstein a changé le visage de la physique avec sa théorie de la relativité restreinte, les physiciens sont convaincus que rien ne peut voyager plus vite que la vitesse de la lumière. En fait, la relativité prédit que pour que tout ce qui a une masse se déplace même à la vitesse de la lumière, une énergie infinie est nécessaire.
Nous le voyons dans les rayons cosmiques à ultra haute énergie mentionnés plus haut. Ils ont des énergies extraordinaires par rapport à leur taille, mais ils ne voyagent toujours pas aussi vite. La vitesse de la lumière en tant que limite stricte pourrait également expliquer pourquoi les communications de civilisations extraterrestres sont peu probables. S'ils sont également limités par cela, les signaux peuvent prendre des milliers d'années pour arriver.
Mais les gens se demandent sans cesse s'il est possible de contourner la limitation de vitesse de l'univers. En 2011, l'expérience OPERA avait obtenu des résultats préliminaires suggérant que les neutrinos voyageaient plus rapidement que la vitesse de la lumière. Mais les chercheurs ont par la suite remarqué quelques erreurs supplémentaires dans leur configuration expérimentale, confirmant que les résultats étaient incorrects.
Si un moyen de communiquer une matière ou une information plus rapide que la vitesse de la lumière existe, cela changerait sans aucun doute le monde. Un voyage plus rapide que la lumière viole une relation appelée causalité, la relation entre les causes et les effets des événements.
En raison de la corrélation entre le temps et l'espace dans la relativité restreinte, une information voyageant plus rapidement que la vitesse de la lumière permettrait à une personne de recevoir des informations sur un événement avant qu'il ne soit «arrivé» (selon eux) - un type de voyage dans le temps.
Une communication plus rapide que la lumière créerait toutes sortes de paradoxes que nous ne savons pas résoudre. Il semble donc probable que cela n'existe pas. Mais si vous parvenez à le développer, parlez-nous-en hier.
4 Pouvons-nous trouver un moyen de décrire la turbulence?
En revenant sur Terre, il reste encore beaucoup de choses difficiles à comprendre dans notre vie quotidienne. Essayez de jouer avec les robinets de votre maison.
Si vous laissez l'eau couler doucement, vous examinez la physique résolue - un type de flux que nous comprenons bien, appelé «flux laminaire». Mais si vous réglez l'eau à une pression maximale et regardez-la crépiter, vous êtes regardant un exemple de turbulence. À bien des égards, la turbulence reste un problème non résolu en physique.
L'équation de Navier-Stokes détermine la manière dont les fluides tels que l'eau et l'air doivent s'écouler. Cette équation est un peu comme un équilibre de forces. Nous imaginons que le fluide se décompose en petites quantités. Ensuite, l’équation prend en compte l’ensemble des forces qui agissent sur cette parcelle - gravité, frottement, pression - et tente de déterminer la réaction de la vitesse de la parcelle.
Pour des flux simples ou stables, nous pouvons trouver des solutions à l’équation de Navier-Stokes qui décrivent complètement le flux. Les physiciens peuvent ensuite écrire une équation qui vous indique la vitesse (vitesse et direction) du fluide en tout point de l’écoulement.
Mais pour les écoulements compliqués et turbulents, ces solutions commencent à s'effondrer. Nous pouvons encore faire beaucoup de science avec des écoulements turbulents en résolvant les équations numériquement avec de grands ordinateurs. Cela nous donne une réponse approximative sans une formule qui explique complètement le comportement du fluide.
Nous prévoyons le temps de cette façon. Mais jusqu'à ce que nous trouvions ces solutions insaisissables, nos connaissances seront incomplètes. À propos, c’est l’un des problèmes non résolus liés aux prix du Clay Institute. Donc, si vous le gérez, il y a un million de dollars dedans pour vous.
3 Pouvons-nous construire un supraconducteur à température ambiante?
Les supraconducteurs pourraient être parmi les dispositifs et les technologies les plus importants jamais découverts par l'homme. Ce sont des types spéciaux de matériel. Lorsque la température baisse suffisamment, la résistance électrique du matériau tombe à zéro.
Cela signifie que vous pouvez obtenir des courants énormes pour une infime application de tension sur le supraconducteur. Si vous définissez le courant électrique circulant dans un fil supraconducteur, celui-ci peut continuer à circuler pendant des milliards d'années sans se dissiper, car il ne résiste pas à son écoulement.
Une grande partie de l'énergie est perdue dans nos câbles d'alimentation actuels. Ils ne sont pas supraconducteurs et ont une résistance électrique qui les fait chauffer lorsque vous leur faites passer un courant. Les supraconducteurs pourraient réduire ces pertes à zéro.
Mais les possibilités des supraconducteurs sont encore plus excitantes que cela. Le champ magnétique produit par un fil a une intensité qui dépend du courant traversant ce fil. Si vous pouvez obtenir de très faibles courants dans un supraconducteur à un prix avantageux, vous pouvez obtenir des champs magnétiques très puissants.
Ces champs sont actuellement utilisés dans le Grand collisionneur de hadrons pour détourner les particules chargées qui se déplacent rapidement autour de son anneau. Ils sont également utilisés dans les réacteurs de fusion nucléaire expérimentaux, qui pourraient fournir notre électricité à l'avenir.
Le problème est que tous les supraconducteurs connus doivent fonctionner à ces très basses températures. Même nos supraconducteurs les plus chauds doivent être à -140 degrés Celsius (-220 ° F) avant de commencer à présenter cette magnifique propriété.
Leur refroidissement à ces basses températures nécessite généralement de l'azote liquide ou quelque chose de similaire. C'est donc très coûteux à faire. De nombreux physiciens et scientifiques spécialistes des matériaux à travers le monde travaillent au développement du Saint Graal, un supraconducteur pouvant fonctionner à la température ambiante. Mais personne ne l'a encore réussi.
2 Pourquoi y a-t-il plus de matière que l'antimatière?
À certains égards, nous ne savons toujours pas pourquoi quelque chose existe du tout. Une déclaration audacieuse mais vraie! Pour chaque particule, il existe une particule égale et opposée appelée antiparticule. Donc, pour les électrons, il y a des positrons. Pour les protons, il existe des antiprotons. Etc.
Si une particule touche jamais son antiparticule, elle s’annule et se transforme en radiation. Puisque vous ne voulez probablement pas être annihilé, c'est une bonne chose que l'antimatière soit incroyablement rare. Parfois, il tombe dans les rayons cosmiques. Nous pouvons également fabriquer de l’antimatière dans les accélérateurs de particules pour des milliards de dollars par gramme. Mais dans l’ensemble, cela semble incroyablement rare dans notre univers.
C'est un vrai mystère. Nous ne savons tout simplement pas pourquoi la matière domine dans notre univers et non l'antimatière. Chaque processus connu qui transforme l’énergie (rayonnement) en matière produit la même quantité de matière et d’antimatière. Donc, si l'univers a commencé à être dominé par l'énergie, pourquoi n'a-t-il pas alors produit des quantités égales de matière et d'antimatière?
On peut imaginer un univers où l’énergie se transforme en paires matière-antimatière. Ensuite, ils s'annihileraient et redeviendraient une énergie pour toujours. Mais il n'y aurait pas de structure, pas d'étoiles et pas de vie.
Certaines théories pourraient expliquer cela. Les scientifiques qui étudient les interactions des particules au niveau du grand collisionneur de hadrons cherchent des exemples de «violation du CP».
Si elles se produisent, ces interactions pourraient montrer que les lois de la physique sont différentes pour les particules de matière et d’antimatière.Ensuite, nous pouvons imaginer qu'il existe peut-être des processus légèrement plus susceptibles de produire de la matière que de l'antimatière et c'est pourquoi nous voyons un univers asymétrique dominé par la matière.
Les théories les plus anciennes suggèrent qu'il pourrait exister des régions entières dominées par l'antimatière. Fait intéressant, il pourrait être plus difficile de contester cela que vous ne le pensez.
L'antimatière et la matière interagissent avec le rayonnement de la même manière et se ressemblent donc parfaitement. Nos télescopes ne pouvaient pas distinguer entre une galaxie antimatière et une galaxie de matière.
Mais ces théories doivent expliquer comment la matière et l'antimatière ont été séparées et pourquoi nous ne voyons pas la preuve que de nombreuses radiations sont produites lorsque la matière et l'antimatière se rencontrent et s'annulent.
À moins que nous ne découvrions des preuves de l'existence de galaxies antimatière, la violation de CP dans l'univers primitif apparaît comme la meilleure solution. Mais nous ne savons toujours pas exactement comment cela fonctionne.
1 Pouvons-nous avoir une théorie unifiée?
Au 20ème siècle, deux grandes théories ont été développées qui ont beaucoup expliqué sur la physique. L'un était la mécanique quantique, qui décrivait comment de minuscules particules subatomiques se comportaient et interagissaient. La mécanique quantique et le modèle standard de la physique des particules ont expliqué trois des quatre forces physiques de la nature: l'électromagnétisme et les forces nucléaires fortes et faibles. Ses prédictions sont incroyablement précises, même si les gens discutent encore des implications philosophiques de la théorie.
L'autre grande théorie était la relativité générale d'Einstein, qui explique la gravité. En relativité générale, la gravité se produit lorsque la présence d'une masse plie l'espace et le temps, amenant les particules à suivre des trajectoires incurvées du fait que l'espace-temps est déformé. Cela peut expliquer des choses qui se produisent sur la plus grande des échelles - la formation des galaxies et la danse des étoiles.
Il n'y a qu'un seul problème. Les deux théories sont incompatibles. Nous ne pouvons pas expliquer la gravité d'une manière qui ait du sens avec la mécanique quantique, et la relativité générale n'inclut pas les effets de la mécanique quantique. Autant que nous puissions en juger, les deux théories sont correctes. Mais ils ne semblent pas travailler ensemble.
Depuis que cela a été réalisé, les physiciens ont travaillé sur une sorte de solution pouvant réconcilier les deux théories. C'est ce qu'on appelle une grande théorie unifiée (GUT) ou simplement la théorie du tout.
Les scientifiques sont habitués à l'idée de théories qui ne fonctionnent que dans certaines limites. Par exemple, les lois du mouvement de Newton sont ce que vous obtenez lorsque vous prenez une limite de vitesse relative de la relativité restreinte. En outre, l'électricité et le magnétisme étaient considérés comme des théories complètement différentes jusqu'à ce que Maxwell les unifie dans l'électromagnétisme.
Les physiciens espèrent pouvoir effectuer un zoom arrière et voir que la mécanique quantique et la relativité générale font toutes les deux partie d'une théorie plus vaste, comme les patchs dans une courtepointe. La théorie des cordes est une tentative qui peut reproduire les caractéristiques de la relativité générale et de la mécanique quantique. Mais il est difficile de tester ses prévisions avec des expériences, de sorte que cela ne peut pas être confirmé.
La recherche d'une théorie fondamentale, capable d'expliquer tout, se poursuit. Peut-être que nous ne le trouverons jamais. Mais si la physique nous a appris quelque chose, c'est que l'univers est vraiment remarquable et qu'il y a toujours de nouvelles choses à découvrir.