Recevez des e-mails sur les programmes NOVA à venir et le contenu connexe, ainsi que des reportages sur les événements actuels à travers une lentille scientifique.
Hein? vous demandez. Oui, c’est ce que je ressentais. Et la question ne dérange pas seulement les esprits des nuls en physique comme moi. Plusieurs physiciens ont supplié d’essayer d’y répondre, me renvoyant à des collègues. Même ceux qui en ont parlé ont dit des choses comme « C’est un peu hors de ma zone de confort » et « Je pense que j’aimerais ruminer dessus. »Après l’avoir posé à un cosmologiste, il y a eu un silence de mort à l’autre bout de la ligne pendant assez longtemps que je me suis demandé si nous avions un appel abandonné.
J’avais touché un nerf, car, à mon insu, la question de la température la plus élevée est au cœur des enquêtes actuelles et des théories proposées en cosmologie et en physique théorique. En effet, les scientifiques qui travaillent dans ces domaines essaient avec zèle de répondre à cette question. Pourquoi? Parce que, dans un certain sens, rien de moins que le futur cours de physique repose sur la réponse.
Contender #1-1032 K
Certains modèles cosmologiques, dont celui qui règne depuis des décennies, le Modèle Standard, posent une température théorique la plus élevée. On l’appelle la température de Planck, d’après le physicien allemand Max Planck, et elle équivaut à environ 100 millions de millions de millions de millions de degrés, soit 1032 Kelvins. « C’est ridicule, c’est ce que c’est », a déclaré le physicien de Columbia Arlin Crotts lorsque je lui ai demandé s’il pouvait mettre ce chiffre en perspective pour moi. « C’est un milliard de milliards de fois la plus grande température à laquelle nous devons penser » (dans les sursauts gamma et les quasars, par exemple). Ça a aidé.
Honnêtement, lorsque vous contemplez la température de Planck, vous pouvez oublier la perspective. Tous les termes habituels pour très chaud – brûlant, brûlant, infernal, insérez votre favori ici – s’avèrent ridiculement inadéquats. En bref, dire que 1032 K est chaud, c’est comme dire que l’univers occupe de l’espace.
Quelle que soit la température la plus élevée, elle peut être essentiellement équivalente à la température la plus froide.
En physique conventionnelle — c’est—à-dire celle qui s’appuie sur la théorie de la relativité générale d’Einstein pour décrire le très grand et la mécanique quantique pour décrire le très petit – la température de Planck a été atteinte 10 à 43 secondes après le début du Big Bang. À cet instant, connu sous le nom de temps de Planck, l’univers entier aurait été de la longueur de Planck, soit de 10 à 35 mètres. (En physique, Max Planck est le roi de l’éponyme.) Une température terriblement élevée dans un espace terriblement petit dans un temps terriblement court après … eh bien, après quoi? C’est sans doute une question encore plus grande — comment l’univers a-t-il commencé?- et nous n’irons pas là-bas.
Un mur de briques
La température de Planck est la température la plus élevée de la physique conventionnelle car la physique conventionnelle se décompose à cette température. Au—dessus de 1032 K — c’est-à-dire plus tôt qu’un temps de Planck – les calculs montrent que des choses étranges, des choses inconnues, commencent à arriver à des phénomènes que nous tenons proches et chers, comme l’espace et le temps. La théorie prédit que les énergies des particules deviennent si grandes que les forces gravitationnelles entre elles deviennent aussi fortes que toutes les autres forces. C’est—à—dire que la gravité et les trois autres forces fondamentales de l’univers – l’électromagnétisme et les forces nucléaires fortes et faibles – deviennent une seule force unifiée. Savoir comment cela se passe, la soi-disant « théorie de tout », est le saint graal de la physique théorique aujourd’hui.
« Nous n’en savons pas assez sur la nature quantique de la gravitation, même pour spéculer intelligemment sur l’histoire de l’univers avant cette époque », écrit le lauréat du prix Nobel Steven Weinberg à propos de cet instant contre un mur de briques dans son livre Les Trois Premières Minutes. « Ainsi, quels que soient les autres voiles qui ont pu être levés, il y a un voile, à une température de 1032 K, qui obscurcit encore notre vision des temps les plus anciens. »Jusqu’à ce que quelqu’un propose une théorie quantique de la gravité largement acceptée, la température de Planck, pour les physiciens conventionnels comme Steven Weinberg, restera la température la plus élevée.
Contender #2-1030 K
Les théoriciens des cordes, ces physiciens qui croient que l’univers à son point de vue le plus fondamental n’est pas constitué de particules mais de minuscules cordes vibrantes, ont leur propre perception de la température. J’ai parlé à Robert Brandenberger, cosmologiste théorique à l’Université McGill à Montréal. Avec Cumrun Vafa, théoricien des cordes de Harvard, Brandenberger a proposé un modèle de l’univers primitif assez différent de celui des modèles traditionnels de Big Bang. (Je dois noter qu’il existe de nombreux modèles; je n’en aborde que quelques-uns ici.)
Appelé cosmologie des gaz de chaîne, ce modèle postule une température maximale appelée température de Hagedorn. (Il porte le nom du défunt physicien allemand Rolf Hagedorn.) « C’est la température maximale que la théorie des cordes prédit », m’a dit Brandenberger. Alors que les théoriciens des cordes ne donnent pas de nombre spécifique pour la température de Hagedorn, Brandenberger a des raisons de penser que c’est environ un pour cent de son cousin théorique, le Planck. Cela fait environ 1030 K, soit deux ordres de grandeur en dessous du Planck.
Concurrent #3-1017 K
J’ai appris une autre température la plus élevée possible de l’ancien étudiant diplômé de Brandenberger, Stephon Alexander. Aujourd’hui professeur adjoint de physique à Penn State, Alexander est l’un des nombreux physiciens qui attendent avec impatience le jour où les responsables du CERN à la frontière franco-suisse allumeront le Grand collisionneur de Hadrons, le plus grand accélérateur de particules au monde.
Une des raisons pour lesquelles ils sont excités a à voir avec la température. Comme Alexander m’a dit : « Il se peut que la température soit — comme je le crois — la température ou l’énergie juste autour de l’énergie que le LHC va sonder. » Le LHC fonctionnera à 14 billions d’électrons volts, ou terra electron volts, désignés TeV. Quatorze TeV sont égaux à 1017 K, donc 15 ordres de grandeur en dessous du Planck.
Pourquoi le LHC pourrait-il aider à déterminer cela ? Comme Brandenberger m’a expliqué, la théorie des cordes prédit que l’espace-temps a plus de quatre dimensions, soit 10 ou 11. « Maintenant, les autres dimensions, qui nous sont cachées, pourraient être très, très minuscules — ce pourraient être des cordes ou une échelle de Planck — ou bien elles pourraient être une échelle TeV. »Et si ces dimensions supplémentaires s’avèrent être de l’échelle TeV, dit-il, la température la plus élevée sera également de l’échelle TeV.
S’il y a une température la plus chaude, quelle qu’elle soit, que diriez-vous de quelque chose d’encore plus chaud? Pas de problème!
J’ai demandé à Alexander ce que cela signifierait pour la physique si la température de Planck s’avérait être une échelle TeV. « Oh mon Dieu, ce serait l’une des plus grandes percées de notre espèce — vous savez, des trucs d’Einstein », a-t-il déclaré. « Ce serait aussi grand que la découverte de la relativité et de la mécanique quantique elle-même. Brandenberger, pour sa part, pense que c’est « très, très long » que le terminus supérieur de la température soit l’échelle TeV. Peu importe qui a raison sur ce point — si, en fait, l’un ou l’autre l’est —, il sera extrêmement difficile de voir ce qui découle du LHC, qui devrait commencer à fonctionner en 2008. Alexandre dit : « J’ai investi mes actions. »
Concurrent #4-0 K
Comme si au moins trois opposés possibles différents au zéro absolu ne donnaient pas assez de pause, ce qu’Alexander m’a dit ensuite a vraiment fait tourner la tête. Quelle que soit la température la plus élevée, a-t-il dit, elle pourrait être essentiellement équivalente à la température la plus froide. « En d’autres termes, la température zéro est la même, en un sens, que la température de Planck. »
Revenez?
Alexander a décrit deux manières potentielles de commencer l’univers. Soit c’était à la température de Planck puis gonflé et refroidi pour créer ce que nous voyons aujourd’hui. Ou il a commencé à zéro température et s’est accéléré à mesure qu’il se développait. « Donc, l’une des deux situations aurait pu se produire », a-t-il déclaré, « et il serait intéressant que les deux situations soient réellement le même phénomène sous-jacent. »
Autrement dit, la physique de la température la plus froide possible pourrait-elle être équivalente à la physique de la température la plus chaude possible? Considérant qu’au—delà des deux limites — au-dessous de l’une et au-dessus de l’autre – l’espace et le temps commencent à faire ces choses étranges et inconnues, Alexander pense que c’est « une conclusion logique, une possibilité logique. Pourquoi pas? »
Au-delà de l’au-delà
Pourquoi pas, en effet ? Après avoir discuté avec Alexander et d’autres dans son champ raréfié, j’étais prêt à tout. Que diriez-vous de quelque chose de théoriquement plus chaud que le Planck? Ben voyons! J’ai demandé à Jim Gates de l’Université du Maryland. « Tout ce que nous savons, c’est qu’au-dessus de la température de Planck, les règles changent, mais we nous ne savons pas en quoi elles changent », a-t-il déclaré. « Si quelqu’un trouve des règles aussi cohérentes, alors oui, il est concevable qu’il y ait des températures plus chaudes. »
Que diriez-vous d’une température infiniment élevée? Très bien! Après tout, la relativité générale classique appelle une température infiniment élevée au tout début de l’univers, ainsi qu’au point le plus central, la singularité, des trous noirs.
Ou, s’il y a une température la plus chaude, quelle qu’elle soit, que diriez-vous de quelque chose d’encore plus chaud? Pas de problème! En théorie, une température plus chaude qu’une température la plus chaude peut exister — c’est une température négative. Comme l’écrivent Charles Kittel et Herbert Kroemer dans leur texte classique Thermal Physics, « L’échelle de température du froid au chaud s’étend de +0 K, …, +300 K, …, +∞ K, -∞ K, …, -300 K, …, -0 K. »
Presque étourdi maintenant, je me suis de nouveau tourné vers Arlin Crotts pour obtenir de l’aide. Si, théoriquement parlant, vous allez au-dessus du Planck à une température infiniment élevée, la prochaine étape au-delà de l’infini est moins l’infini? « Eh bien, vous ne parlez plus de distribution thermique », a-t-il dit, « mais si vous continuez à la pousser, vous passez essentiellement par l’infini vers moins l’infini, puis vous passez de l’autre côté. » Wow! « Ce à quoi vous devriez vraiment faire attention », a-t-il ajouté, « c’est 1 sur T, car un sur l’infini et un sur moins l’infini sont fondamentalement la même chose. » Totalement!
Concurrent #5 — Qui diable sait?
Comme vous l’avez peut—être deviné, à ce stade, les physiciens m’avaient perdu – sinon au tout début. J’étais loin de ma zone de confort.
En fin de compte, la meilleure réponse à ma question est peut-être venue de Lee Smolin de l’Institut Périmètre de physique théorique de Waterloo, en Ontario. « Il se peut que le plus que vous puissiez dire, c’est qu’il y a une possibilité qu’il y ait une température la plus élevée possible », m’a-t-il dit. « Mais laissez-moi réfléchir …. »
Notes de l’éditeur
Cette fonctionnalité est apparue à l’origine sur le site du programme NOVA Absolute Zero.