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La constante de structure fine (ou α), exprimée par le chiffre 1/137, a été introduite pour la première fois en physique en 1916 par le physicien allemand  Arnold Sommerfeld. Sa définition initiale comme ses modifications ultérieures représentent l'une des questions les plus complexes de la physique.
 

NB.  Cet article commente des extraits de l'article cité ci-dessous du NewScientist

La constante de structure fine(1) - ou alpha - est définie comme le carré du rapport entre la charge élémentaire et la charge de Planck. Son expression numérique 1/137.036 est la valeur de la constante de structure fine à énergie nulle.

Cette constante se retrouve dans tous les phénomènes naturels étudiés par la physique contemporaine, depuis la combustion des étoiles, les processus chimiques, la nature des atomes. Le physicien Richard Feynman disait d'elle qu'il s'agissait d'"un des plus grands mystères de la physique, un nombre magique que nous rencontrons sans savoir à quoi il correspond".


La "constante" de structure fine varie-t-elle en fonction du temps et de l"espace?

L'article de Michaêl Brooks "There's a glitch at the edge of the universe that could remake physics", que vient de publier la revue britannique NewScientist datée du 6 octobre 2018 [voir Sources, ci-dessous], approfondit encore le mystère. Il indique que des recherches, il est vrai controversées, suggèrent que la constante de structure fine n'est pas une constante universelle, mais qu'elle varie en fonction du temps et de l'espace.
Si cela s'avérait exact, nous devrions revoir entièrement les hypothèses de base concernant la nature de la réalité, c'est-à-dire de tout ce qui existe...

Des expériences récentes

Le bouleversement provient d'expériences récentes conduites simultanément, concernant tant la nature du cosmos que celle de la matière étudiée dans les laboratoires(2). Si elles ne conduisent à aucune affirmation, elles sèment seulement un doute sur l'unicité de la constante de structure fine. Peut-être existerait-il d'autres constantes qui devraient être prises en considération... l'idée est déjà ancienne et remonte à Paul Dirac.

Comme le rappelle l'article du NewScientist, si la constante, alpha était augmentée aujourd'hui d'une quantité même insignifiante, l'univers ne serait plus le même. Les protons se repousseraient les uns les autres, ce qui détruirait les noyaux atomiques de tous les corps existants. Au-delà, les réactions de fusion nucléaire se produisant au cœur des étoiles s'arrêteraient de telle façon qu'elles ne pourraient plus produire le carbone, essentiel à la vie. Si alpha était diminuée, ce seraient des liens moléculaires essentiels à la vie qui seraient détruits.

Alpha est au cœur d'une théorie déjà ancienne initialisée par Dirac et développée par Feynman, dite électrodynamique quantique ou QED. Elle décrit les interactions entre la lumière et la matière. Alpha détermine la force de ces interactions.

Mais alpha est-elle réellement immuable ou plutôt n'a-t-elle pas changé au cours de l'histoire de l'univers ?
Les interactions électromagnétique qui déterminent ce que l'on nomme les constantes de l'univers auraient-elles pu être plus fortes ou plus faibles dans le passé, ou bien pourraient-elles être différentes d'un univers à l'autre, dans l'hypothèse aujourd'hui très actuelle du multivers ? Dans ce cas, ces constantes cesseraient de l'être.

L'entrée en scène des télescopes modernes

Les physiciens sont pour la plupart convaincus aujourd'hui que si de nouvelles expériences montraient de faibles variations dans la constante de structure fine, il en résulterait que ce sont les lois dites fondamentales de l'univers elles-mêmes qu'il faudrait revoir, en remettant en cause leurs prétentions à l'universalité dans le temps et dans l'espace.

Télescope Keck à HawaïC'est précisément ce que semble montrer l'analyse des rayons lumineux collectés par le télescope Keck à Hawaï, un des plus puissants du monde. Il peut recueillir des rayons lumineux provenant de quasars dont l'âge est évalué à 12 milliards d'années. Au cours de ce voyage, ils ont traversé des nuages de gaz qui absorbent certaines longueurs d'onde. Il devrait en résulter une modification de alpha caractérisant un univers âgé de 12 milliards d'années. Autrement dit, l'univers existant à cette époque lointaine ne devrait pas être identique à l'univers d'aujourd'hui.

De nouvelles méthodes d'analyse des spectres d'absorption des rayons émis par Keck semblent montrer qu'alpha avait augmenté entre -12 et -6 milliards d'années d'une très faible quantité (1 sur 1 million), mais néanmoins significative. L'accès à des analyses provenant d'un autre télescope, le VLT au Chili, a confirmé ces résultats.
Ceci pourrait signifier que l'univers d'aujourd'hui serait notablement différent des univers plus anciens. Or le caractère unique et non susceptible d'évolution de l'univers est un postulat de base de la cosmologie. C'est ce caractère qui, par ailleurs, explique le développement linéaire de la vie depuis ses origines. La vie, selon les conceptions actuelles, n'aurait pas pu se développer dans un univers en changement.

Des erreurs instrumentales ?

D'autres cosmologistes attribuent les modifications de longueur d'onde supposées observées par ces télescopes à des erreurs instrumentales. Ils présentent eux-aussi de bons arguments en faveur de cette dernière hypothèse.
Pour lever l'incertitude, il convient donc de procéder à de nouvelles observations. C'est ce que devra permettre l'instrument Echelle Spectrograph for Rocky Exoplanet and Stable SpectroscopicObservation(3) ou ESPRESSO, mis en œuvre au Chili sur le Very Large Telescope Interferometer (VLT), Ses concepteurs espèrent qu'il pourra produire de premiers résultats vers la fin de 2019.

Peut-être lever l'incertitude grâce à l'instrument ESPRESSO

EXPRESSOESPRESSO devrait pouvoir confirmer l'hypothèse d'une variation de alpha au cours des 10 milliards d'années précédentes. Pour éviter des erreurs humaines, les analyses de ses résultats seront soumises à des algorithmes intelligents, autrement dit à l'Intelligence Artificielle.
Ceci ne veut pas forcément dire que les divergences d'opinion concernant l'évolution de alpha seront complètement résolues à cette époque, et moins encore celles concernant la nature et l'évolution de l'univers. Cette dernière, par exemple, aurait pu être très rapide peu après le Big Bang et s'être considérablement ralentie, sinon arrêtée depuis.
Jean-Paul Baquiast et Christophe Jacquemin
puce note Notes
(1) La Constante de structure fine (site Wikipedia).
(2)  "Indications of a spatial variation of the fine structure constant", par J. K. Webb, J. A. King, M. T. Murphy, V. V. Flambaum, R. F. Carswell, M. B. Bainbridge, Arxiv, 1er novembre 2011.
(3) En français : Spectrographe échelle pour l'observation de planètes rocheuses et des observations spectroscopiques stables.

 
puce note Sources
"There's a glitch at the edge of the universe that could remake physics", publié dans NewScientist du 6 octobre 2018.
Voir aussi "Laws of physics may change across the universe", article plus ancien du NewScientist du 8 septembre 2010).
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