Dans le monde astral, le temps et l'espace ne sont pas fixes. On peut voyager instantanément d'un point à un autre, comme si les lois de la relativité étaient suspendues. Cela ressemble étrangement au concept quantique de non-localité, où deux particules peuvent être connectées instantanément, peu importe la distance qui les sépare.

 

Le terme relativité se réfère au temps et à l'espace. Selon Galilée et Newton, temps et espace étaient des entités absolues, et les systèmes en mouvement de l'univers dépendaient de ce temps et de cet espace absolus. C'est sur cette conception que s'est construite la science de la mécanique. Les formules qui en résultent suffisent pour tous les mouvements lents, mais on constate qu'elles ne sont pas adaptées aux mouvements rapides de l'électrodynamique.

Même si nous ne pouvons pas les voir, nous savons que ces particules virtuelles sont "vraiment là" dans le vide car elles laissent une trace détectable de leurs activités. L'un des effets des photons virtuels*, par exemple, est de produire un léger changement dans les niveaux d'énergie des atomes. Ils provoquent également un effet d'entraînement, un changement minime dans le moment magnétique des électrons. Ces minuscules mais significatives altérations ont été mesurées avec une grande précision grâce à des techniques spectroscopiques.

Il est actuellement très improbable que les éléments chimiques encore indivisibles soient des substances absolument irréductibles. Il semble plutôt que les atomes des éléments ne soient pas les constituants finaux, mais seulement les constituants immédiats des molécules des éléments et des composés - la molécule étant la première division de la matière, les atomes étant considérés comme le second ordre, à leur tour constitués de particules de matière d'un troisième ordre plus élevé.

(Spéculant en 1870 sur l'existence de particules subatomiques, dans la remarque d'ouverture de l'article par lequel il s'est imposé comme co-découvreur de la loi périodique).

kvantovyy (квантовый) : terme polysémique, étroitement lié à la mécanique quantique et à ses concepts fondamentaux. Peut être utilisé dans différents contextes pour désigner :

- Des phénomènes physiques: par exemple, "квантовое явление" (phénomène quantique) désigne un phénomène qui ne peut pas être expliqué par la physique classique et qui nécessite la mécanique quantique pour être compris.

- Des objets physiques : par exemple, "квантовая частица" (particule quantique) désigne une particule élémentaire, comme un électron ou un photon, dont le comportement est régi par la mécanique quantique.

- Des technologies : par exemple, "квантовый компьютер" (ordinateur quantique) désigne un ordinateur qui utilise les principes de la mécanique quantique pour effectuer des calculs.

La découverte des quanta a conduit au développement de la mécanique quantique, une théorie physique qui décrit le comportement de la matière et de l'énergie à l'échelle atomique et subatomique. La mécanique quantique a introduit des concepts nouveaux et parfois contre-intuitifs, tels que la dualité onde-particule, le principe d'incertitude et l'intrication quantique.

Le terme "quantique" est parfois utilisé dans un sens plus large, voire métaphorique, pour désigner quelque chose qui est discontinu, discret ou qui présente des propriétés étranges et inattendues.

En résumé "квантовый" est un terme riche et complexe qui renvoie à un concept fondamental de la physique quantique. Il est important de comprendre sa signification précise dans chaque contexte.

Sous l'apparente complexité de l'univers se cache une élégante dichotomie : toutes les particules fondamentales se répartissent en deux royaumes distincts, les bosons et les fermions, régissant respectivement les forces et la matière. Cette division binaire structure l'essence même de la réalité physique.

Les deux royaumes des particules

Les bosons, nommés en hommage à Satyendra Nath Bose, se caractérisent par leur capacité à coexister dans des états identiques. Comme les photons formant un rayon laser, ils peuvent s'empiler à l'identique dans le même état quantique. Ce comportement collectif sous-tend toutes les forces fondamentales :

- Les photons médiatisent la force électromagnétique

- D'autres bosons orchestrent les forces nucléaires

- Les hypothétiques gravitons relèveraient aussi de cette famille1.

Les fermions, honorant Enrico Fermi, obéissent au principe d'exclusion : deux particules identiques ne peuvent occuper le même état quantique. Cette règle façonne la diversité de la matière :

- Les électrons s'organisent en couches atomiques distinctes, engendrant la richesse chimique du tableau périodique

- Les quarks (constituants des protons et neutrons) et neutrinos sont des fermions fondamentaux

- Leur nature exclusive empêche l'effondrement de la matière1.

Genèse historique et découvertes clés

En 1924, Bose établit avec Einstein la statistique quantique des bosons, décrivant leur aptitude à occuper simultanément un même état. Fermi et Dirac résolurent indépendamment en 1926 le paradoxe des électrons dans les métaux, révélant leur nature fermionique et leur obéissance au principe d'exclusion1.

Spin et théorème fondamental

La distinction s'incarne dans une propriété quantique :

- Les bosons possèdent un spin entier (0,1,2...)

- Les fermions exhibent un spin demi-entier (1/2, 3/2...)1.

Le théorème spin-statistique (Fierz-Pauli, 1939-1940) démontre l'indissociabilité de ces deux caractéristiques : toute violation conduirait à briser des principes physiques sacrés comme la causalité.

Implications dimensionnelles

Notre univers tridimensionnel n'autorise que ces deux types de particules. Cependant :

- En 2D, émergent des anyons aux propriétés hybrides

- En 1D, la distinction bosons/fermions s'efface, révélant une unité sous-jacente.

Cette dualité particulaire, née des travaux visionnaires de Bose, Fermi, Dirac et Einstein, demeure l'un des piliers les plus profonds expliquant l'architecture de notre réalité physique.

 

Quelle est cette physique inconnue soulevée par le LHC ?

Une équipe internationale de chercheurs a observé pour la première fois une forme de désintégration inédite du boson de Higgs, jetant un éclairage nouveau sur les mystères de l'Univers et suggérant l'existence de phénomènes physiques encore inexplorés. Cette découverte, fruit de l'analyse de données recueillies lors des collisions de protons au Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) du CERN, marque un pas de géant dans notre compréhension du monde subatomique.

Le boson de Higgs, une particule élémentaire prédite dans les années 1960 et découverte avec certitude en 2012, joue un rôle crucial dans le Modèle standard de la physique des particules. Il est associé à un champ, omniprésent dans l'Univers, qui confère leur masse aux autres particules. Sa capacité à interagir avec diverses particules et champs avait été mesurée avec précision, confirmant les prédictions jusqu'à présent.

L'observation récente concerne une désintégration du boson de Higgs en un photon, ou quantum de lumière, et un boson Z, une particule sans charge électrique impliquée dans la transmission de la force faible, l'une des quatre forces fondamentales de l'Univers. Selon la théorie, ce processus est extrêmement rare, survenant environ 15 fois sur 10 000 désintégrations. Toutefois, les données recueillies par les collaborations ATLAS et CMS montrent un taux de désintégration supérieur, à 34 occurrences pour 10 000, ce qui soulève des questions sur la possibilité de nouvelles particules ou forces au-delà du Modèle standard.

Cette différence notable par rapport aux prédictions théoriques, bien qu'encore insuffisante pour exclure une fluctuation statistique, suggère la possibilité d'une nouvelle physique. Elle ouvre notamment la porte à des théories telles que la supersymétrie, qui propose une relation entre les particules de demi-spin et de spin entier, offrant des réponses potentielles à certaines des grandes énigmes de la physique, comme la nature de la matière noire et l'énorme écart entre les forces faible et gravitationnelle.

La détection de cette désintégration a nécessité une analyse minutieuse des résultats des collisions de protons au LHC, où les scientifiques ont dû compenser l'incapacité à observer directement le boson Z en mesurant l'énergie des électrons ou des muons produits lors de sa désintégration. Cette prouesse technique souligne l'extraordinaire précision avec laquelle les physiciens peuvent aujourd'hui tester les fondements de notre compréhension de l'Univers.

Les chercheurs se tournent désormais vers l'avenir, avec l'anticipation de données encore plus précises provenant de la prochaine phase du LHC et du futur Grand Collisionneur de Hadrons à haute luminosité, promettant des découvertes sur la structure fondamentale de la matière.

 

Gravité quantique : les singularités de l’espace-temps font de la résistance

Introduction

La question des singularités de l’espace-temps — ces points où les lois de la physique semblent s’effondrer, au cœur des trous noirs ou à l’origine du Big Bang — demeure l’un des mystères majeurs de la physique moderne. Malgré les avancées en gravité quantique, ces singularités persistent, interrogeant la cohérence même de notre compréhension de l’Univers.

La genèse des singularités

- Relativité générale : Selon Einstein, la matière courbe l’espace-temps, et une concentration extrême de matière conduit à une courbure infinie, c’est-à-dire une singularité.

- Limites de la théorie : La plupart des physiciens considèrent ces singularités comme des artefacts mathématiques, révélant les limites de la relativité générale et la nécessité d’une théorie plus fondamentale, la gravité quantique.

Les grandes étapes théoriques

- Roger Penrose (1965) : Il démontre que les singularités sont inévitables dès qu’une " surface piégée " apparaît, indépendamment de la symétrie du système. Sa démonstration repose sur deux hypothèses : la formation de surfaces piégées et l’attractivité universelle de la gravité.

- Stephen Hawking : Il étend l’argument à l’origine de l’Univers, montrant que le Big Bang est lui aussi une singularité.

- Aron Wall (2010) : En introduisant les effets quantiques (énergies négatives, deuxième loi généralisée de l’entropie), il montre que même en tenant compte de la physique quantique, les singularités subsistent.

- Raphael Bousso (2025) : Il va plus loin en considérant un espace-temps qui réagit à la matière quantique, prouvant que les singularités persistent même dans ce contexte semi-classique.

Les couches de l’oignon : vers la gravité quantique

- Approche classique : Penrose travaille dans un cadre purement classique, ignorant les effets quantiques.

- Approche semi-classique : Wall et Bousso introduisent progressivement les effets quantiques, mais les singularités résistent.

- Vers une théorie complète : Les physiciens espèrent qu’une théorie pleinement quantique de la gravité éliminerait ces singularités, mais aucune formulation définitive n’existe à ce jour.

Les alternatives et débats

- Scénarios de rebond cosmique : Certains théoriciens envisagent que l’Univers ait connu un « grand rebond » plutôt qu’une singularité initiale, mais ces modèles doivent composer avec les nouveaux théorèmes qui renforcent la nécessité des singularités.

- Nature de la singularité : Peut-être qu’une théorie fondamentale ne supprimerait pas les singularités mais les « démystifierait », en modifiant radicalement le langage et les concepts nécessaires pour les décrire.

Expériences et perspectives

- Tests expérimentaux : Bien que longtemps jugée impossible à tester, la nature quantique de l’espace-temps pourrait être explorée dans les années à venir grâce à des expériences de laboratoire innovantes.

- Conséquences philosophiques : Si la notion de temps ou d’espace cesse d’avoir un sens à la singularité, il faudra inventer de nouveaux concepts pour décrire ce qui s’y passe réellement.

Conclusion

Les singularités de l’espace-temps demeurent des énigmes indomptées, résistant aux tentatives d’unification de la relativité générale et de la physique quantique. Elles tracent les frontières de notre savoir, invitant à repenser les fondements mêmes de la réalité physique et à poursuivre la quête d’une théorie ultime, où l’espace, le temps et la causalité pourraient perdre leur signification familière.

 

L'origine quantique de l'effet de serre

En 1896, le physicien suédois Svante Arrhenius a découvert que le dioxyde de carbone (CO₂) piège la chaleur dans l'atmosphère terrestre, un phénomène maintenant appelé l'effet de serre. Depuis, des modèles climatiques de plus en plus sophistiqués ont confirmé que chaque doublement de la concentration de CO₂ dans l'atmosphère entraîne une augmentation de la température de la Terre de 2 à 5 degrés Celsius. Cependant, la raison physique pour laquelle le CO₂ se comporte ainsi est restée un mystère jusqu'à récemment.En 2022, des physiciens ont résolu une dispute sur l'origine de la "mise à l'échelle logarithmique" de l'effet de serre. Puis, au printemps 2024, une équipe dirigée par Robin Wordsworth de l'Université Harvard a découvert pourquoi la molécule de CO₂ est si efficace pour piéger la chaleur. Ils ont identifié une particularité de la structure quantique de la molécule qui explique pourquoi elle est un gaz à effet de serre si puissant.

Découvertes anciennes et récentes

Joseph Fourier,  mathématicien et physicien français, a montré il y a 200 ans que l'atmosphère de la Terre isole la planète du froid spatial. Ensuite, Eunice Foote et John Tyndall ont montré que le CO₂ absorbe bien le rayonnement infrarouge. Arrhenius a utilisé ces découvertes pour conclure que l'ajout de CO₂ réchaufferait la surface de la planète.Cependant, le physicien suédois Knut Ångström a contesté cette théorie en affirmant que le CO₂ n'absorbe qu'une longueur d'onde spécifique de 15 microns et que la quantité de CO₂ dans l'atmosphère était déjà suffisante pour piéger toute cette lumière. Ce qu'il lui a échappé, c'est que le CO₂ peut également absorber des longueurs d'onde légèrement plus courtes ou plus longues, bien que moins efficacement. Lorsque la concentration de CO₂ double, la lumière infrarouge a plus de molécules à traverser avant de s'échapper, ce qui ralentit le flux de chaleur.

Explication quantique

L'équipe de Wordsworth a utilisé la mécanique quantique pour expliquer pourquoi le CO₂ est si efficace pour piéger la chaleur. Les molécules de CO₂ peuvent absorber des photons lorsque ceux-ci ont exactement la bonne quantité d'énergie pour faire passer la molécule à un état quantique différent. Le CO₂ a un état de base où ses trois atomes forment une ligne, et des états excités où les atomes oscillent. Un photon de lumière de 15 microns contient l'énergie exacte nécessaire pour faire tourbillonner l'atome de carbone autour du point central dans une sorte de mouvement de hula-hoop.  Les climatologues ont longtemps imputé l'effet de serre à cet état de hula-hoop, mais, comme l'avait prévu Ångström, l'effet nécessite une quantité d'énergie trop précise, a constaté Wordsworth et son équipe. L'état de hula-hoop ne peut pas expliquer le déclin relativement lent du taux d'absorption des photons au-delà de 15 microns, et ne peut donc pas expliquer à lui seul le changement climatique.

La clé est un autre type de mouvement où les atomes d'oxygène oscillent vers et loin du centre de carbone, comme un ressort. Ce mouvement a une énergie proche du double de celle du mouvement de "hula-hoop", permettant aux deux états de se mélanger. Ce phénomène, appelé résonance de Fermi, explique pourquoi le CO₂ est si efficace pour piéger la chaleur.

Conclusion

Ces découvertes montrent que le changement climatique est directement lié aux principes de la mécanique quantique, renforçant ainsi les arguments en faveur de la réalité du réchauffement climatique. La concentration de CO₂ dans l'atmosphère a atteint un niveau record de 419,3 parties par million en 2023, entraînant une augmentation estimée de 1 degré Celsius de la température globale jusqu'à présent.