Introduction à la relativité et à la quantique

Comment je m'y suis mis

Ces deux sujets, la quantique et la relativité, m'ont toujours intrigué. J'ai gardé les livres que j'avais acheté, lorsque j'étais étudiant, pour tenter d'y comprendre quelque chose sans y consacrer des années d'étude. Notamment la célèbre série des 5 volumes du Feynman. Bien des années plus tard, arrivé à la retraite et ayant enfin le temps de m'y remettre, j'ai commencé à chercher un peu dans tous les sens.

La différence capitale avec les années de ma jeunesse, ça aura été l'arrivée d'Internet. J'ai fini par trouver trois cours de relativement bon niveau calibrés pour des gens comme moi:

• le célèbre cours de Leonard Susskind, dans son projet " Theoretical minimum" à Stanford
• celui moins connu de Barton Zwiebach, au MIT
• les vidéos de vulgarisation d'Etienne Parizot, dans sa chaîne "E.T. d'Orion / Dans le champ des étoiles…"

Au total, ça m'a quand même pris quelques années pour avancer doucement, mais je crois avoir fini par en apprendre suffisamment pour pouvoir prendre du recul par rapport aux vulgarisations "basiques".

Les vulgarisations "basiques"

Qu'est-ce que j'appelle les "vulgarisations basiques"?

Et bien, celles qu'on a tous rencontrées. Si elles permettent d'avoir une vague idée de ces sujets, elles ont aussi un très gros défaut, à savoir qu'elles fonctionnent avec des analogies très approximatives qui vont devenir un véritable obstacle pour celui qui tentera d'aller plus loin:

• Le coup de la fusée qui rétrécit quand elle va très vite.
• Le coup de la gravitation représentée par une feuilles élastique sur laquelle on lance des boules de pétanque.
• Le coups des électrons qui "passent par deux trous à la fois"

Bien sûr, ces analogies ne sont pas totalement inutile. Elles donnent une vague idée du sujet.

Sauf que:

• Non, la fusée ne rétrécit pas vraiment quand elle va très vite.
• Non, la déformation de l'espace-temps en relativité générale ne ressemble pas vraiment à celle d'une feuille de caoutchouc.
• Non, les électrons ne passent pas vraiment "par deux trous à la fois"

Deux exemples emblématiques pour une mise en bouche

Les longueurs n'existent pas !

Mes recherches, mes échanges et mes difficultés dans la création de mes vidéos sur le sujet m'ont amené à réaliser toute la portée de ceci, qui avait pourtant été annoncé depuis le début: Les longueurs sont relatives, autrement dit, comme diraient les bouddhistes, elles n'ont pas d'existence propre.

Et c'est de là que viennent, je crois, la plupart des difficultés de compréhension sur ces sujet. On a beau avoir l'avoir entendu cent fois, on n'en a pas perçu toute l'importance. On continue à s'imaginer que la "contraction des longueurs" serait une sorte de phénomène bizarre et que les longueurs se contracteraient "vraiment", soit par une sorte d'effet mystérieux, soit par une sorte d'illusion d'optique.

Or il arrive un moment où on finit par se rendre à l'évidence: Ce n'est ni l'un ni l'autre. Les longueurs n'ont pas vraiment d'existence. Elles ne sont que des concepts commodes que nous nous fabriquons, sans même nous en apercevoir, pour nous représenter le monde et pour faire des calculs. Des millions d'années d'évolution nous ont dotés de cerveaux capable de se représenter les objets comme ayant une longueur naturelle, la même pour tous les observateurs. Ça marche très bien tant qu'il s'agit d'évoluer la taille d'une proie, d'un prédateur ou d'une montagne et ça a permis à l'humanité de survivre et de progresser. Mais ça ne marche plus du tout lorsque nous observons avec précision des phénomènes qui se produisent à vraiment très grande vitesse et à très petite échelle, comme les mouvements de particules.

En fait, ce qui a une "vraie" existence dans l'espace-temps, ce sont les "intervalles d'espace-temps". Les distances et les durées, prises individuellement, ne sont au fond que des mesures que nous reportons sur des cartes d'un réel qui reste hors de portée de nos sens.

De la même manière que les cartes de la Terre sont toutes forcément "fausses" car il n'est pas possible de représenter fidèlement la surface d'une sphère (3 dimensions) sur une feuille plate (2 dimensions), il n'est pas possible d'avoir un référentiel "fidèle" puisqu'un référentiel, par définition, n'est toujours qu'une projection particulière des distances (3 dimensions) à partir d'un espace-temps en 4 dimensions.

Tout ça vous semble hors de portée? Ne vous laissez surtout pas impressionner!

Comme le disait Leonard Susskind (sur un autre sujet), c'est très abstrait mais pas très compliqué. Je parle ici des concepts de base. Bien sûr que les calculs de relativité peuvent devenir horriblement complexes, mais les calculs de résistance des matériaux peuvent l'être tout autant. La vraie différence dans le cas de la relativité, c'est qu'elle nécessite en plus un véritable effort de remise en question de notre conception "naïve" ou "naturelle" du monde.

Perso, ça m'a pris une bonne année pour y parvenir mais je trouve que ça en valait vraiment la peine. Peut-être ferez-vous mieux? 🤗

• Vous trouverez ma série de vidéos sur la relativité ici.

Les positions n'existent pas non plus... tant qu'on ne les regarde pas !

Bon, si les distances et les durées n'ont pas de véritable existence, indépendante de la manière dont on les regarde, au moins les événements, eux, ont une véritable existence? Ils existent même si on ne le regarde pas ?

Euh... Et bien... Non en fait!

Et c'est là une autre grande illusion dont la théorie quantique nous oblige à nous défaire.

Alors, bien sûr, pour reprendre un exemple utilisé par le physicien Claude Aslangul , la Lune existe même si je ne la regarde pas.

Mais pourquoi? Parce qu'elle est très grosse et qu'elle n'arrête pas, à chaque femtoseconde, d'interagir avec le reste de l'Univers avec lequel, moi, aussi, j'interagis à chaque femtoseconde. A notre échelle, les "bizarreries" quantiques n'ont pas le temps de commencer qu'elles sont déjà terminées.

Mais pour une toute petite particule plongée dans un vide presque parfait, c'est plus compliqué. Pendant une fraction de seconde, il n'est plus possible de dire où elle est, ni à quel endroit elle est, ni même qu'elle a interagit ou pas avec une autre particule.

D'une certaine manière, tant qu'elle n'a pas interagit avec le reste de notre univers, les événements:

• «Elle est passé par le trou de gauche» et «Elle est passée par le trou de droite»

ou

• «Elle a interagit avec le détecteur» et «Elle n'a pas interagit avec le détecteur»

doivent être tous pris en considération comme si ils s'étaient produits tous les deux en l'absence d'observation.

Là encore, à très petite échelle, la matière ne se comporte absolument pas de la même manière qu'à notre échelle à nous.

Et là encore, nous n'avons tout simplement pas accès à la "nature" de ce que peut être le monde à son niveau le plus fondamental. Il nous est irrémédiablement "voilé" pour reprendre l'expression de Bernard d'Espagnat . Richard Feynman avait dit «Personne ne comprend vraiment la physique quantique» et c'est vrai. Il est impossible de comprendre le monde au niveau fondamental avec les concepts habituels de ce qui constitue la "réalité" à notre échelle. En revanche, nous disposons de concepts mathématiques qui nous permettent de décrire et de prévoir avec une très grande précision les phénomènes quantiques que nous observons.

Comme dans le cas de la relativité, ces concepts mathématiques "de base" sont très abstraits mais pas si difficiles que ça à comprendre. Même si, comme dans le cas de la relativité, leur application dans des calculs complets sur des cas concrets s'avère vite considérablement plus ardue.

• Vous trouverez ma série de vidéos sur la quantique ici.
• Mais je vous conseille de commencer par cette série sur l'expérience de Stern et Gerlach.

Pourquoi je vais retirer ces vidéos de Youtube

Dès que j'aurai le temps de m'y coller, je vais retirer mes vidéos de Youtube.

Pourquoi?

A cause du phénomène dit "enshitification":

Quand j'ai mis ces vidéos en ligne sur Youtube, tout commençait bien. Mais au fil de temps, ça s'est beaucoup dégradé. D'abord Youtube, après avoir mis mes vidéos en évidence, m'a demandé de payer pour avoir plus de succès. J'ai décliné. Mon audience s'est effondrée. On m'a ensuite proposé de "monétiser" en mettant des publicités et en cherchant des sponsors. Bah non. Du coup, je n'avais pas énormément de succès, mais quand même suffisamment de visiteurs et de commentaires sympas en public ou en privé pour avoir envie de continuer.

Mais depuis quelques temps, ça s'est encore plus dégradé. Mes vidéos sont désormais interrompues par des publicités pour des produits douteux, voire franchement illégaux. De plus elles sont désormais entourées de liens vers de fausses vidéos des célèbres physiciens Richard Feynman ou de Leonard Susskind générées par IA et truffées d'absurdités.

A ce compte-là, autant les retirer de Youtube et les mettre ici. Ce sera moralement plus compatible avec mes valeurs. C'est juste que ça va demander un certain temps, donc je vous remercie de votre patience. 😎

À suivre...

Chapitre suivant: Les fondamentaux de la théorie de la relativité

Sommaire de la série: Quantique et relativité pour les francs-maçons

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