Daniel Whiteson est physicien des particules à l’université de Californie à Irvine (UC Irvine) et chercheur actif au Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) du CERN. Dans cette discussion fascinante, il explore les frontières de la science expérimentale, de la philosophie et des plus grandes questions non résolues de la physique : de quoi l’univers est-il fait, pourquoi la gravité est-elle si faible, et la physique telle que nous la connaissons est-elle une vérité absolue ou une simple invention humaine ? Son dernier ouvrage, coécrit avec le dessinateur Andy Warner et intitulé Do Aliens Speak Physics? (Les extraterrestres parlent-ils physique ?), pose une question vertigineuse : si des êtres venus d’ailleurs débarquaient, reconnaîtraient-ils seulement nos théories scientifiques ?
La physique : découverte ou invention humaine ?
Pour la majorité des gens, la physique décrit la réalité objective de l’univers. Pourtant, Daniel Whiteson nous invite à faire la distinction entre la carte et le territoire. Nos modèles mathématiques, comme le boson de Higgs, décrivent avec une précision remarquable le résultat de nos expériences, mais cela signifie-t-il pour autant que l’univers effectue ces mêmes calculs en coulisses ?
Cette interrogation s’illustre à travers les travaux du philosophe Hartry Field, auteur de l’ouvrage Science Without Numbers (La science sans les nombres). Ce dernier a réussi l’exploit de reformuler entièrement la gravité newtonienne sans utiliser le moindre nombre ni le moindre concept de champ, en se basant uniquement sur des relations géométriques et spatiales (plus près, plus loin, plus ou moins grand). Si la physique peut fonctionner sans nombres, alors les mathématiques ne sont peut-être qu’un raccourci mental propre à l’esprit humain. Des extraterrestres, dotés d’une structure cérébrale et de sens différents, pourraient avoir développé une méthode radicalement différente et tout aussi efficace pour appréhender le cosmos.
L’échelle de Planck et les malentendus du Big Bang
L’échelle de Planck (environ 10 puissance moins 35 mètres) est souvent présentée dans la vulgarisation scientifique comme la « taille des pixels » de l’univers, une limite physique absolue. Daniel Whiteson corrige ce malentendu : cette échelle représente simplement la limite de nos théories actuelles. C’est le point de rupture où la mécanique quantique (qui régit l’infiniment petit) et la relativité générale (qui régit la gravité et l’espace-temps) entrent en conflit direct. Rien n’exclut qu’une future théorie de la gravité quantique nous permette de voir bien au-delà de cette frontière.
De la même manière, le Big Bang est profondément incompris. Il est souvent décrit comme un point infiniment dense qui aurait explosé dans un espace vide. En réalité, le Big Bang s’est produit partout à la fois. L’univers a toujours été rempli de matière ; le Big Bang désigne simplement la phase d’expansion et de refroidissement de cet état chaud et dense à partir de la densité de Planck. Ce qui s’est produit avant ce seuil de densité reste un mystère complet que la science n’a pas encore résolu.
Comment sonder l’univers primitif ?
Pour observer ce qui s’est passé avant que l’univers ne devienne transparent (environ 400 000 ans après le Big Bang), les scientifiques doivent utiliser des messagers capables de traverser la matière sans encombre. Les neutrinos, des particules presque sans masse qui voyagent juste en dessous de la vitesse de la lumière, se sont libérés à peine une seconde après le début de l’expansion. Détecter ce fond cosmologique de neutrinos permettrait de cartographier l’univers à un stade extrêmement précoce.
Une autre piste prometteuse réside dans les ondes gravitationnelles primordiales. Pour détecter ces ondulations de l’espace-temps à l’échelle de la galaxie, les physiciens utilisent des pulsars, des étoiles à neutrons tournant sur elles-mêmes à une vitesse prodigieuse et émettant des faisceaux de rayonnement ultra-réguliers. En mesurant d’infimes variations dans le timing de ces horloges cosmiques grâce aux réseaux de synchronisation des pulsars, les scientifiques parviennent à détecter le passage d’ondes gravitationnelles géantes.
Dans les secrets du CERN
Au CERN, les chercheurs provoquent des collisions de protons toutes les 24 nanoseconds. En vertu de la mécanique quantique, deux collisions strictement identiques au départ peuvent produire des résultats totalement différents. C’est en répétant cette opération des milliards de fois que les physiciens espèrent voir apparaître des phénomènes extrêmement rares.
Chaque collision génère un flux titanesque de données à travers 100 millions de canaux de détection. Ne pouvant pas tout stocker, les équipes de Daniel Whiteson conçoivent des systèmes de filtrage ultra-rapides pour décider en temps réel s’il faut conserver ou rejeter une collision. Pour débusquer l’inattendu, ils entraînent des algorithmes d’apprentissage automatique (machine learning) spécialisés dans la détection d’anomalies. L’objectif est de repérer des trajectoires de particules atypiques qui ne suivent pas les courbes hélicoïdales habituelles imposées par les champs magnétiques, ouvrant ainsi la voie à la découverte de physiques entièrement nouvelles.
Le problème de la hiérarchie et la supersymétrie
Pourquoi la gravité est-elle si incroyablement faible comparée aux trois autres forces fondamentales (l’électromagnétisme, la force forte et la force faible) ? C’est ce qu’on appelle le problème de la hiérarchie. Ce mystère est intimement lié à la masse du boson de Higgs, qui est étonnamment légère (environ 125 fois la masse d’un proton) alors que les calculs théoriques prédisent qu’elle devrait être gigantesque.
Pour expliquer cette anomalie, les théoriciens ont imaginé la supersymétrie (SUSY), une théorie élégante qui postule que chaque particule connue possède un partenaire supersymétrique (un boson pour chaque fermion, et inversement). Ces partenaires annuleraient mathématiquement les corrections massives apportées au Higgs. Cependant, malgré les recherches intensives menées au LHC, aucune de ces particules partenaires n’a été détectée. Si la supersymétrie existe, ses particules doivent être bien plus lourdes que prévu, ce qui lui fait perdre une grande partie de son intérêt pour résoudre le problème de la hiérarchie.
Transformer nos smartphones en détecteurs de rayons cosmiques
L’univers abrite des accélérateurs naturels bien plus puissants que les machines humaines. En 2023, la particule Amaterasu, un rayon cosmique d’une énergie phénoménale de 244 exa-électrons-volts (des millions de fois plus énergétique que ce que produit le LHC), a été détectée en provenance d’une zone apparemment vide de l’espace (le Vide Local). Pour étudier ces phénomènes rares sans dépenser des centaines de millions de dollars dans des observatoires terrestres géants, Daniel Whiteson a conçu un projet audacieux : CRAYFIS.
Les capteurs photo de nos smartphones (les puces CMOS) utilisent la même technologie en silicium que les détecteurs du CERN. Lorsqu’un muon (un cousin lourd de l’electron produit par l’impact d’un rayon cosmique dans l’atmosphère) traverse le capteur d’un téléphone posé face cachée sur une table, il y laisse une trace lumineuse caractéristique. En connectant 5 à 10 millions de smartphones à travers le monde via une application dédiée, il serait possible de créer un télescope de rayons cosmiques de la taille de la Terre. Rejeté initialement par la National Science Foundation (NSF) car jugé trop spéculatif, le projet a finalement obtenu un financement de la Fondation Julian Schwinger en 2025 pour développer un prototype fonctionnel.
La diversité des esprits et la biologie de l’ombre
Si la vie extraterrestre existe, elle pourrait ne pas partager notre biochimie basée sur le carbone, ni même nos modes de perception. Certains animaux terrestres possèdent déjà des sens qui nous échappent, comme les poissons capables de percevoir les champs électriques. Des extraterrestres microscopiques pourraient interagir directement avec des objets quantiques sans provoquer l’effondrement de leur fonction d’onde, vivant ainsi dans un monde de superposition naturelle.
Plus fascinant encore, si la matière noire (qui représente la grande majorité de la matière de l’univers) possède sa propre physique, sa propre chimie et ses propres forces encore inconnues, il pourrait exister une véritable « biologie de l’ombre ». Des civilisations entières de matière noire pourraient coexister dans la même pièce que nous sans que nous puissions les détecter autrement que par leur influence gravitationnelle.
Daniel Whiteson reste profondément optimiste quant à la capacité de l’humanité à percer ces mystères. Pour lui, la science est une aventure collective, ouverte et menée de bonne foi par des passionnés. Que les extraterrestres parlent ou non notre physique, leur rencontre nous en apprendra autant sur les lois de l’univers que sur notre propre nature humaine.
Source : The Why Files
