Les atomes

Pendant longtemps, les physiciens imaginaient l’atome comme un système solaire miniature. Niels Bohr proposa en 1913 un modèle où les électrons orbitaient le noyau sur des orbites discrètes, comme les planètes autour du soleil. C’était un modèle élégant qui expliquait certaines observations spectrales, mais il s’est avéré fondamentalement incompatible avec les lois de la physique classique. Un électron en mouvement circulaire devrait rayonner de l’énergie et s’écraser dans le noyau en une fraction de seconde. Le fait que les atomes soient stables suggérait que quelque chose de profondément différent se produisait.

Erwin Schrödinger changea tout en 1926 avec son équation d’onde. L’équation de Schrödinger décrit comment la probabilité de trouver une particule change dans l’espace et le temps. Elle introduisit le concept d’orbitale, remplaçant l’idée d’une orbite définie par une région de probabilité. Un électron n’est pas en un lieu spécifique, mais plutôt se propage comme une onde de probabilité autour du noyau.

Jusqu’à présent, nous avons parlé de deux forces : la force forte et la force électromagnétique. Mais l’univers repose sur quatre forces fondamentales, et comprendre comment elles interagissent est la quête ultime de la physique.

La gravité, d’abord, est la force la plus familière. Elle attire tous les objets massifs les uns vers les autres. Albert Einstein l’a réinterprétée en 1915, non pas comme une force au sens classique, mais comme la courbure de l’espace-temps causée par la masse et l’énergie. Un objet massif courbe le tissu de l’univers autour de lui, et les autres objets suivent cette courbe, créant l’apparence d’une force d’attraction. La gravité est extraordinairement faible à l’échelle atomique, mais elle domine à l’échelle cosmique. L’électromagnétisme, ensuite, est la force responsable de pratiquement toute la chimie et la physique. C’est une fusion de l’électricité et du magnétisme. James Clerk Maxwell les unifiait dans les années 1860, montrant qu’ils n’étaient que deux manifestations d’une même force. L’électromagnétisme est environ 10 à la 39e puissance fois plus forte que la gravité, ce qui explique pourquoi nous ne tombons pas de la Terre malgré toute la gravité planétaire.

Maintenant, comment testons-nous ces théories ? Nous construisons des machines énormes qui écrasent des particules ensemble à des vitesses proches de celle de la lumière et observons ce qui en sort. Le Grand Collisionneur de Hadrons au CERN, près de Genève, est le plus grand et le plus puissant accélérateur de particules au monde. Il fait dix-sept kilomètres de circonférence et accélère les protons à 99,9999999 pourcent de la vitesse de la lumière avant de les faire entrer en collision.

Qu’est-ce qu’on espère trouver ? Le modèle standard, formulé principalement au cours des années 1970, décrit les particules élémentaires et les trois forces qui les gouvernent avec une précision remarquable. Il prédisait l’existence de nombreuses particules avant qu’elles ne soient découvertes expérimentalement. En 2012, exactement quarante-huit ans après que Peter Higgs et d’autres proposèrent le boson de Higgs, une particule fondamentale responsable du mécanisme par lequel d’autres particules gagnent leur masse, le CERN l’annonça officiellement découvert.

Votre main, solide et tangible, est composée d’atomes. Ces atomes sont eux-mêmes presque entièrement du vide, remplis de champs de force et de probabilités quantiques. Les particules qui les composent obéissent à des lois qui défient l’intuition et ont forcé la physique à réinventer la réalité elle-même.

Nous avons parcouru le chemin de Bohr à Schrödinger, découvert les quatre forces fondamentales qui gouvernent l’univers, et exploré les frontières ultimes de notre compréhension au CERN. Nous savons tellement, et pourtant, nous ignorons encore bien plus. La matière noire, la gravité quantique, l’origine ultime de l’univers, toutes ces questions restent ouvertes.

Questions pour aller plus loin : - Que pouvons-nous découvrir d’autre au CERN et dans les futures générations d’accélérateurs qui pourrait transformer notre compréhension des forces fondamentales ? - Qu’est-ce que la matière noire réellement, et comment cela changerait-il notre compréhension de l’univers si nous la comprenions enfin ? - Est-il même possible de créer une théorie unifiée qui réconcilie la mécanique quantique et la relativité générale, ou notre approche actuelle de la physique fondamentale est-elle incomplète de manière plus profonde ?