Voyage dans le miroir de la matière

http://www.cena.dgac.fr/~sagnier/prive/science/symetrie.htm

L'antimatière est d'actualité dans le numéro de La Recherche (no 361, 02/03) qui fait le bilan de l'année scientifique passée et consacre deux articles à ce sujet, d'une part à cause de l'accélération de l'expansion de l'univers (21/02/02) qui semble impliquer une étrange "énergie négative" répulsive et surtout parce qu'on commence à fabriquer des anti-atomes d'antihydrogène (CERN, 18/09/02). Mais qu'est-ce donc que cette mystérieuse antimatière et que peut bien vouloir dire un temps négatif parmi d'autres propriétés fascinantes ? Le lien indiqué plus haut vous en dira beaucoup plus que la revue elle-même, mais il faut d'abord revenir sur ce que nous croyons savoir de la matière, du moins ce que j'en ai compris, étant absolument incompétent sur ces questions.

1. Qu'est-ce que la matière (brisure de symétrie)

La matière n'est qu'un défaut dans l'être, l'ombre de la lumière avons-nous dit. Alors que rien ne devrait exister si l'on se fiait aux lois de la physique dans leur mécanique continue, toute existence, toute force, résulte de ce que les physiciens appellent une "brisure de symétrie" dont l'exemple est celui de la formation de cristaux, reliée au phénomène de refroidissement, de l'entropie de l'univers depuis sa naissance. S'il y a brisure de symétrie c'est qu'une loi de symétrie n'a pas été respectée (par effet de seuil ou saut quantique), ce dont la physique ne peut vraiment rendre compte, seulement constater l'existence de diverses forces, diverses propriétés de la matière, correspondant à autant de défauts de symétrie qui ne sont pas déduits mais doivent être pris en compte. Comme j'ai tenté de le montrer dans mon texte sur l'improbable miracle d'exister, toute existence est donc improbable dans sa différenciation, et notre monde est bien celui de l'improbabilité malgré la rigueur des lois physiques. J'ai montré aussi que c'est ce caractère incalculable de l'univers qui donne toute son importance à l'information caractérisée elle aussi par son improbabilité, sa nouveauté, ce qui permet d'interpréter toute existence et tout événement comme information. L'entropie ici est créatrice plus que destructrice. Par ses ratages même, le travail du temps est créateur, par ses fractures, ses effondrements, ses rencontres hasardeuses. Dès lors, matière et information tiennent entièrement à leur imperfection et à leur surprise qui déchire le silence du vide et la surface lisse des espaces infinis.

L'antimatière étant l'envers de la matière et de l'énergie, son image en miroir, constitue semble-t-il la première symétrie qu'il faut briser pour qu'il y ait quelque chose plutôt que rien et depuis Sakharov on essaie d'expliquer cet infime déséquilibre en faveur de la matière. Ce n'est pourtant pas si sûr, ne faisant sans doute qu'enregistrer plutôt une brisure de symétrie au niveau électromagnétique et de la distribution de l'énergie. Ce n'est pas un déséquilibre entre matière et antimatière qui peut être vraiment responsable de l'existence de la matière mais sans doute le phénomène de refroidissement et d'effet de seuil, de ce qu'on pourrait appeler des erreurs d'arrondi impliqués par le caractère quantique de l'énergie, le caractère discret des quanta, arrondis qui laisseraient ainsi un reste (lorsque les fluctuations quantiques ont lieu dans un espace-temps qui se modifie, de virtuels certains photons deviennent réels). Le rapport matière/anti-matière serait plutôt une conséquence, le reflet de la rugosité de la matière.

Ce n'est pas seulement l'émergence d'un reste qu'il faut expliquer cependant, mais sa solidité, sa durée. C'est donc l'énergie de liaison qui est la véritable cause de la matière puisque cela implique qu'il faut dés lors un apport d'énergie extérieur pour "briser cette brisure de symétrie", c'est-à-dire que la force de liaison empêche désormais la désintégration de la particule malgré les fluctuations quantiques (en l'absence d'apport d'énergie). Ce qui fait que les particules durent c'est d'entrer en interaction avec d'autres en constituant de nouvelles symétries comme les liaisons électriques entre charges opposées. La charge électrique est une brisure de symétrie primordiale dont semblent découler les forces nucléaires fortes et faibles qui se différencient à certaines étapes du refroidissement initial et s'opposent à l'entropie et la désintégration.

L'antimatière ayant une charge électrique opposée à celle de la matière (positons opposés aux électrons), il ne peut plus y avoir d'annihilation semble-t-il lorsque l'électron est neutralisé par son couplage à un proton. Normalement la collision de matière et d'anti-matière symétrique provoque l'annihilation des particules, rétablissant la symétrie en produisant l'énergie retenue dans la matière sous forme de rayons gamma (longueur d'onde plus courte que les rayons X). C'est même ce phénomène qui serait à l'origine d'un "rayonnement fossile" encore détectable aujourd'hui dans tout l'univers, image de cet immense carnage dont surnageront de rares survivants, assez tout de même pour peupler l'immense univers de toute sa matière. Par contre lorsqu'il y a rencontre d'une charge positive et d'une charge négative, non seulement il n'y a pas annihilation mais la force de liaison s'oppose à la désintégration, exigeant un apport extérieur d'énergie. Comme une collision électron/anti-électron produit 2 photons, ce qui est empêché ainsi, c'est bien la conversion de matière (fermions) en énergie libre (bosons), accentuant les défauts de répartition de l'énergie.

En effet, qu'est-ce que la matière ? Selon la formule bien connue, E=mc2, c'est de l'énergie emprisonnée, de l'inertie, caractérisée par une longueur d'onde ultra-courte qui ne se propage plus mais s'enferme dans sa masse en produisant sa gravité. Ce qu'il faut comprendre, c'est la transformation d'énergie en matière, d'une interférence en inertie localisée. Certains ont pu dire que les particules se comportent comme des trous noirs piégeant l'énergie, produisant un retrait, une brisure de symétrie. Pour Einstein (en 1905) "le rayonnement transfère de l'inertie entre les corps qui émettent et les corps qui absorbent". Les constituants de la matière sont les quarks et les électrons qui forment les fermions et s'opposent aux bosons. Les bosons (spin 1 ou 0) sont de simples véhicules des interactions comme le photon, c'est de l'énergie libre qui se transmet à des vitesses proches de celles de la lumière, émission ou absorption d'énergie, alors que les fermions (spin 1/2) constituent l'inertie, la matière, sa localisation (principe d'exclusion de Pauli), sa résistance, sa gravité, les interactions réelles. C'est, semble-t-il, le caractère impair des fermions, leur incomplétude qui les rend réactifs et manifeste leur existence matérielle. En effet, les fermions ont tendance à se lier par paire et les paires liées se comportent alors comme des bosons. Ceux qui restent fermions solitaires, donc incomplets, forment des fermions composites qui peuvent se décrire comme une assemblage de n bosons + 1 fermion, le "plus-un" constituant le défaut de transmission, la brisure de symétrie de la matière, ce que Aristote appelait sa privation déterminant son orientation, sa cause finale.

A cette analyse de la matière comme improbable brisure de symétrie, à ses interactions et son caractère incomplet, Il faut ajouter que les particules (ou les cordes) se caractérisent par un certain nombre de dimensions qui rendent compte des types de liaison des particules, de leurs complémentarité, leurs symétries. Ce sont ces dimensions que la théorie des cordes ajoute à notre espace-temps comme modes de vibration des cordes, multiples brisures de symétrie dans différentes dimensions qui sont sans doute, selon la théorie quantique : charge, masse, isospin, hypercharge, étrangeté, couleur (types de quarks). Avec les 4 dimensions de l'espace-temps, on en est donc déjà à 10. De quoi prendre conscience de l'étendue de notre ignorance encore.

2. Qu'est-ce que l'anti-matière (le gant retourné)

En définitive, l'antimatière est donc une vue de l'esprit, une lacune dans une mer de matière.

Si l'antimatière n'est bien, comme le pense Feynman, qu'un point de vue inversé sur une seule et même réalité, elle ne peut être à l'origine de la rugosité de la matière qu'elle ne fait que refléter. C'est Paul Dirac qui a déduit l'antimatière de ses équations relativistes du comportement de l'électron. L'équation admettant des solutions négatives il a pu prédire ainsi les propriétés de l'antimatière comme inversion des propriétés de la matière, son image symétrique, en miroir. On obtient alors l'inversion des charges électriques, de la couleur (des quarks), de la charge faible mais aussi une énergie négative et sans doute une antigravité et même un temps négatif !

Il s'agit de donner une interprétation de cette énergie négative et encore plus d'un temps inversé, interprétation qui est loin de faire l'unanimité. Le texte "La symétrie CPT et L'antimatière" dont l'adresse est donnée plus haut et dont sont extraites les citations qui suivent, en donne une interprétation purement géométrique, celle de Feynman,  qui me semble séduisante mais à laquelle il ne semble pas se tenir. Tout cela semble bien étrange, en effet, sauf à considérer qu'il s'agit simplement d'un point de vue inversé, dans le cadre des transformations de Lorentz de la relativité, selon qu'on se situe à un point fixe ou à la vitesse de la lumière (qui n'est pas relative, c'est cela la théorie de la relativité). Dès lors, ce qui est creux pour la matière est bosse pour l'antimatière, la présence de matière est absence d'anti-matière selon une contrainte géométrique qui ne peut être brisée. Le monde de l'antimatière est vraiment notre monde en miroir.

Il faut bien dire que cette interprétation rend problématique qu'on puisse fabriquer de l'antimatière (ce qu'on fait), s'en servir éventuellement de carburant un jour lointain ou dés maintenant en cancérologie. Ce n'est pas impossible pourtant car, dans cette optique, les fermions sont des trous d'énergie positive et l'antimatière une lacune de la matière, un manque d'électron. L'antimatière, c'est le défaut symétrique, la matière vue d'un point de vue inversé, inversion du temps, entre vide et plein, positif et négatif. La matière qui se fait est de l'anti-matière qui se défait, l'entropie croissante de l'un est entropie décroissante de l'autre (chaleur de l'un, froid de l'autre ?). L'image du Big bang devient l'image fascinante d'un gant retourné (ou d'un anneau de Moebius) qui fait rêver.

L'inversion du temps est en fait plus complexe que le simple changement de t en -t : elle consiste à étudier l'évolution d'un système depuis un état final vers un état initial.

Ce phénomène se traduit par un univers ayant toujours existé, dont l'entropie a décru jusqu'à l'instant zéro, date à laquelle l'univers s'est retourné comme un gant (!), produisant une symétrie P et est reparti dans le sens des t positifs.

Dans les descriptions évoquées ci-dessus, l'antimatière est apparue comme de la matière vue après (ou à travers) un "retournement" d'espace-temps. Dans ces conditions, la neutralité matière - antimatière pourrait être finalement issue de considérations géométriques ou topologiques. Par exemple, si l'univers subissait un tel retournement "en cours de route" (qu'il soit comme un ruban de Moebius spatio-temporel), et qu'il se rebouclait sur lui-même (des théories sont en cours de formalisation sur ce thème), il y aurait neutralité globale sans qu'on puisse mettre en évidence de l'antimatière à un instant donné, la matière se retournant de manière imperceptible au cours de l'expansion - contraction. Ceci créerait le Big Bang en finale, comme en un magistral "choc en retour".

En fait, on ne voit pas bien pourquoi il y aurait un retournement réel s'il s'agit simplement d'une différence de point de vue entre matière et antimatière mais cela me dépasse un peu même si je suis sensible à beauté de l'image. Il faut préciser en effet les caractéristiques que pour Dirac, ses équations semblaient impliquer. Ainsi inertie négative, énergie négative signifient qu'on part, comme minimum d'énergie, d'une grande vitesse qui "doit absorber de l'énergie pour atteindre l'état de repos". Dans les citations qui suivent, expliquant le comportement de l'antimatière comme précurseur de la matière, il semble qu'on s'éloigne de l'interprétation géométrique en faisant cohabiter matière et antimatière, l'énergie négative devenant un minimum d'énergie par rapport à l'énergie positive, une sorte de fondation de la matière, son arrière-plan plutôt que son reflet. L'antimatière est-elle donc notre profondeur, notre socle ou notre envers ou encore notre négation ? Si l'on avait la réponse, cela paraîtrait sans doute plus simple. Il est intéressant d'évaluer, ici comme ailleurs, l'étendue de notre ignorance avant que de nouvelles expériences ne tranchent peut-être cette mystérieuse question qui n'est pas métaphysique malgré les apparences mais débouche sur des applications très concrètes.

Le problème est que les états les plus stables d'une particule sont ceux où l'énergie est la plus basse. Pour les électrons, ces états stables sont donc justement ces valeurs négatives! Comme le remarque Dirac : "Un électron à énergie négative aura d'autant moins d'énergie qu'il se déplacera plus vite, et il lui faudra absorber de l'énergie pour atteindre l'état de repos. On n'a jamais observé de semblables particules". Et pourtant, les états les plus stables sont ceux d'énergie négative avec une grande vitesse. Donc, "tous les électrons du monde tendront à tomber dans ces états avec émission de radiation". Pourquoi cela ne se produit-il pas?

La réponse est que cela est déjà arrivé! Tous les électrons du monde (ou presque) sont tombés dans ces états négatifs stables. Mais du fait que ce sont des fermions, chaque état d'énergie ne peut être occupé que par UN SEUL électron (principe d'exclusion). Quand tous les états négatifs ont été comblés (ce qui a nécessité une quantité infinie d'électrons), il n'est plus resté de place que pour les énergies positives. La question suivante est : "Pourquoi ne voit-on pas ces électrons d'énergie négative?"

Réponse : parce qu'ils sont stables! Ils ne bougeront donc pas, et leur immobilité garantit leur invisibilité. Comme le dit Maurice Duquesne [Réf.8, P.64] : "Du côté des énergies négatives, nous aurons une infinité d'électrons occupant ces états et cette distribution uniforme, par le fait-même de son uniformité, échappe à l'observation.[..] Si les électrons à énergie négative ne sont jamais observés dans les expériences, c'est parce qu'il y en a un nombre infini par unité de volume - et cela partout dans le monde - et de plus ces électrons sont dans les états les plus stables qui existent".

"Tous les états d'énergie négative sont occupés, sauf peut-être quelques uns de petite vitesse" (et donc proches du "gap" -m0c2 + m0c2). il ajoute que "nous ne pouvons espérer observer que les petits écarts de la stricte uniformité introduits par le fait que certains états d'énergie négatives sont inoccupés".

En fait, par définition, on ne peut pas observer un électron d'énergie négative dans un référentiel à énergie positive. Tous ces états d'énergie négatives sont comme une "mer" invisible sur laquelle nous flottons sans nous en rendre compte. Cette mer est en fait le vide, c'est à dire l'état de l'univers à énergie zéro.

27/01/03

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