dimanche 25 septembre 2011

FTL neutrino, relativisons !


Une nouvelle incroyable vient de secouer le monde de la physique.

Des neutrinos voyageant plus vite que la lumière auraient été détecté, en violation de toute les lois connues de la physique, par l'expérience OPERA.

Mais alors, tout est faux ! Jetons vite à la poubelle tous nos livres de physique, bannissons vite LA FORMULE

$$E=mc^2 $$


De la même façon qu'on continue d'enseigner la mécanique newtonienne à des générations de physiciens, on continuera d'enseigner la relativité, que ces résultats d'OPERA soient justes ou faux (bon c'est évident si c'est faux).

Pourquoi ?

Contrairement à ce que semble croire la majorité des gens qui ne connaissent pas la physique, une fois qu'une loi physique a été montrée valide, elle est et sera TOUJOURS valide... dans le domaine de validité dans lequel elle a été démontrée.

Il faut distinguer trois choses ici :

  1. Les phénomènes expérimentaux, et leurs mesures expérimentales.
  2. Les lois mathématiques qui relient les différentes variables entre elles
  3. Les concepts physiques qui permettent de déduire ces mêmes lois
Plutôt que de ma lancer dans un long texte technique, je vous propose une petite illustration avec une exemple qui a une grande portée historique.

Le spectre de l'atome d'hydrogène


Il y a très longtemps, dans une galaxie pas lointaine du tout, les scientifiques faisaient chauffer du gaz d'hydrogène, et faisaient des expériences comme celle sur la vidéo :


La lumière qu'on voit est en fait la somme de plusieurs photons de différentes couleurs (la lumière blanche est la somme de toutes les couleurs), et chaque élément chimique a sa propre signature spectrale.






Le petit carré utilisé pour voir les couleurs s'appellent un réseau de diffraction. L'avantage de la bête est que l'angle de déviation, l'angle dont doit tourner la caméra pour voir une couleur donnée, dépend de la couleur (et donc de sa fréquence). En mesurant cet angle, on mesure la fréquence de la couleur correspondante (et l'énergie du photon correspondant par la même occasion).

Les physiciens ont mis un certain à comprendre ce phénomène expérimental. Puis vint M. Rydberg, qui trouva une relation mathématique qui décrit le phénomène. C'est une loi empirique, qui ne repose sur aucun concept. Enfin arriva la mécanique quantique, et l'équation de Schrödinger. La mécanique quantique est une théorie, avec ses concepts, et ses équations fondamentales. Et la magie opéra ! L'équation de Schrödinger appliquée à l'atome d'hydrogène permet de déduire la formule de Rydberg. La théorie est donc en accord avec l'expérience.

Pour les plus curieux, sachez que cette signature spectrale est utilisée en astrophysique pour étudier les étoiles, connaître leur composition interne, et calculer ce qu'on appelle leur redshift, une quantité utile pour étudier l'histoire de l'univers entre autre.

La relativité restreinte vérifiée


La relativité restreinte, en l'espace d'un siècle, a été validée et revalidée par l'expérience. Qu'est-ce que ça veut dire ? Que quoi qu'on fasse, les formules qu'elle a permis d'écrire resteront toujours valides pour décrire les phénomènes expérimentaux auxquels elles s'appliquent.

Que nous dit Einstein ? Et bien que les lois de la physique ne doivent pas changer quel que soit l'endroit sur Terre ou ailleurs où on les testent (à condition d'avoir toujours une vitesse constante), et que la vitesse de la lumière est constante quel que soit l'endroit d'où on la mesure, sur Terre ou ailleurs.

Les différentes conséquences de ces postulats ont été validées expérimentalement. Quelques confirmations expérimentales sont :

  • Invariance de la vitesse de la lumière : Expérience de Michelson-Morley
  • Dilatation du temps pour des particules allant vraiment très vite : Temps de vie des muons cosmiques
  • Ralentissement du temps pour des horloges atomiques embarqués dans des avions
  • Toutes les expériences de collisions de particules (et il y en a eu en un siècle)
  • ...
La théorie décrit donc bien les phénomènes expérimentaux auxquelles elle est applicable. 

Place à la relativité générale


Sauf que la relativité restreinte est incomplète, et Einstein le savait. C'est ainsi que naquit la relativité générale, théorie qui permet d'étudier la gravitation et les gens dans les ascenseurs et les fusées qui accélèrent.

Elle inclue et complète la relativité restreinte, pourtant on étudie encore les deux. La première est utile lorsqu'on étudie la gravitation à grande échelle, où les effets de courbure de l'espace-temps ne peuvent pas être ignorées. La deuxième est utile en physique des particules. Et à ces deux-là s'ajoute la mécanique newtonienne, qui sert à fabriquer des bâtiments et des montagnes russes.



Il faut voir ça comme des poupées russes qui s'emboîtent, chacune incluant la précédente, mais jamais une poupée ne sera jetée ou abandonnée, elle sera simplement incluse dans une poupée plus grande.

Ce qui change


Pourtant des choses ont changé entre la mécanique newtonienne et la relativité générale. Comme ce ne sont pas les phénomènes, ce sont donc les concepts et notre interprétation des lois, formules etc.

Newton pensait que le temps était absolu, ce n'est plus le cas en physique. La relativité restreinte ne nous dit rien sur un espace-temps courbe, la relativité générale s'en charge. Newton pensait que les corps s'attirait parce qu'ils se plaisaient, Einstein nous dit que c'est la courbure qui dévie les trajectoires. Et ainsi avance la science.



PS : FTL ne veut pas dire "f*** ta life" mais "faster than light", plus vite que la lumière, mais les vrais fans de SF le savent déjà ;)

PS 2 : N'hésitez pas à poser des questions en commentaires si quelque chose n'est pas claire. Il y a toujours une différence entre ce qu'on veut transmettre et ce qui est compris. On ne peut pas corriger cette différence sans avoir de retour.

PS 3 : En bonus, je rajoute la vidéo futurama d'où est extrait la mini-BD introductive, certainement l'une des meilleures séries de tous les temps.




PS 4 : Il reste une semaine avant la fin du concours badidea et je suis actuellement deuxième :(
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