Dossier : quand Big Bang Theory vulgarisait la science (1/2)

L’équipe de The Big Bang Theory a récemment annoncé que la mythique sitcom américaine allait s’arrêter après une douzième et dernière saison. Si les adieux à la bande de Sheldon risquent d’être difficiles, on se souviendra longtemps des longues heures passées à rire devant les épisodes de Big Bang Theory. Mais aussi ces nombreuses fois où Sheldon, Leonard, Raj et Howard nous ont donné des cours de science.

1/ Le Chat de Schrödinger

A la fin de la première saison de The Big Bang Theory, Penny se confie à Sheldon : elle a peur de sortir avec Leonard, ne sachant pas si cette relation la mènera vers quelque chose de bien ou de mauvais. Sheldon compare sa situation avec le Chat de Schrödinger :

"En 1935, Erwin Schrödinger, en tentant d’expliquer l’école de Copenhague de la physique quantique, proposa une expérience. Il plaça un chat dans une boite contenant une fiole de poison s’ouvrant à un instant aléatoire. Puisque personne ne sait quand le poison est déversé ou s’il est déversé, tant que la boite n’est pas ouverte, on peut considérer le chat vivant et mort. Tout comme le chat de Schrödinger, ta relation avec Leonard peut être considérée comme étant bonne et mauvaise. C’est seulement en ouvrant la boite que tu le découvriras."

Alors, tout d’abord, chassons un malentendu : non, Erwin Schrödinger n’a pas tué un chat au nom de la physique quantique. Il n’a fait que proposer une expérience de pensée, qui sera d’ailleurs reprise et développée par Albert Einstein (avec un chat et un baril). L’un des problèmes de la physique quantique repose dans ce qu’on appelle le Principe d’incertitude de Heisenberg, un des principaux physiciens de l’école de Copenhague. On rappelle grossièrement que selon ce principe : tant qu’on n'observe pas une particule, on ignore son état quantique. Du coup se pose un problème : comment travailler sur une science dont on ignore les principales données ? Il y a une probabilité égale pour que la particule en question soit dans un état ou dans un autre. Mais il y a également une probabilité pour que la particule soit dans plusieurs états quantiques à la fois. On appelle ça la superposition des états quantiques. Je vous renvoie au livre L'univers à portée de main de Christophe Galfard. L’expérience de pensée proposée par Schrödinger permet d’illustrer cette superposition des états quantiques. Le chat mort et vivant symbolise la particule dans un état quantique ou dans un autre état quantique. Mais un chat ne peut être mort et vivant : parce que ce concept de superposition des états quantiques ne fonctionne que dans le monde quantique, et n’a pas de valeur véritable à notre échelle à nous. Le chat est soit mort soit vivant d’un point de vue physique. On appelle ça le principe de la décohérence.

2. L’équation de Drake

On se souvient tous de cet épisode de la saison 2 où le pauvre Howard Wolowitz modifie l’équation de Drake afin de calculer ses chances de coucher avec une femme. L’équation de Drake permet elle de calculer le nombre potentiel de planètes possédant une civilisation extraterrestre avec qui nous pourrions communiquer. On peut dire que l’objectif de l’équation de Drake est moins terre à terre que celui de William Wolowitz. ("Terre à terre" ? Vous avez saisi la blague ? Pardon je m’égare.) Pour calculer ce nombre potentiel, l’astronome Frank Drake propose ceci :

"N = R* x f_p x n_e x f_l x f_i x f_o x L, avec N = le nombre de civilisations extraterrestres dans notre galaxie avec lesquelles nous pourrions communiquer ; R* = le nombre d’étoiles en formation par an dans notre galaxie ; f_p = la fraction de ces étoiles possédant des planètes ; n_e = le nombre de planètes où la vie est possible pour chaque étoile ; f_l = la fraction de ces planètes sur lesquelles la vie apparaît ; f_i = la fraction de ces planètes sur lesquelles une forme de vie intelligente apparaît ; f_o = la fraction de ces planètes où les formes de vie intelligentes sont à la fois capables et désireuses de communiquer avec nous ; L = la durée moyenne en année d’une civilisation."

Frank Drake, grâce à ce calcul, pense que 10 planètes de la Voie Lactée possèdent des civilisations extraterrestres pouvant communiquer avec nous. Le problème, c’est que cette équation est très largement contestée par la communauté scientifique, car les différentes données qui lui servent de bases sont difficilement calculables pour la plupart. Certains astronomes et physiciens pensent également que l’équation de Drake manque de facteurs, tels que la possibilité pour qu’une civilisation extraterrestre puisse posséder la capacité technologique pour détruire sa planète, ou au contraire, la sauver de l’auto-destruction. Peut-être est-ce pour des causes similaires que l’équation de Wolowitz a peu de chances de fonctionner.

3/ La théorie des cordes

C’est le principal sujet de recherches de Sheldon, celui sur lequel il mise tout pour enfin gagner son Prix Nobel de Physique, du moins jusqu’à la saison 7. Qu’est-ce que la théorie des cordes ? Bien évidemment, n’étant pas physicien, et n’ayant pas fait d’études scientifiques, je ne peux vous donner une explication détaillée de cette théorie. Tout au plus je peux tenter de la définir de manière très grossière. La théorie des cordes repose sur deux hypothèses : tout d’abord, notre Univers possède plus de trois dimensions spatiales ; ensuite, les briques de l’Univers serait des cordelettes vibrantes (d’où le nom de théorie des cordes), et non des particules élémentaires, ces dernières n’étant que le résultat des vibrations des cordes. Bon comme ça, on dirait du charabia. Mais le plus important c’est que la théorie des cordes tend à réconcilier deux théories traitant de la physique des particules : la relativité générale et la mécanique quantique. Ces deux théories, qui semblent au premier abord s’opposer, ont été vérifiées par de nombreuses découvertes, preuve s’il en est que chacune de ces théories possède une valeur scientifique. Pourtant, chacune de ces deux théories pose des problèmes : par exemple, comme l’explique bien Pourquoi faut-il concilier relativité générale et physique quantique ? de Futura-sciences, en physique quantique "le temps est très différent de l’espace. […] Or en relativité, le temps et l’espace sont la même chose." De plus, "a relativité générale est une théorie fondamentalement géométrique. Or, le principe d’incertitude qui est au coeur de la théorie quantique est intrinsèquement incompatible avec une géométrisation." La théorie des cordes, permet de faire cohabiter ces deux théories de physique des particules. En effet, on ne peut plus se permettre, pour certains domaines de recherches, d’ignorer l’une ou l’autre de ces théories. Par exemple, le Big Bang et les trous noirs nécessitent l’utilisation de la relativité générale (puisque ce sont des domaines où il est question de gravitation) et de la physique / mécanique quantique (puisqu’il est question d’étudier la nature de cette matière). Alors pourquoi Sheldon abandonne-t-il ce domaine de recherches ? Pour la simple et bonne raison qu’à l’instar de nombreux scientifiques, il ne parvient pas à trouver des résultats probants, car les scientifiques sont obligés d’utiliser trop d’approximations.

Dans la deuxième partie, nous parlerons du Boson de Higgs, de la gravitation quantique à boucle et de l’effet Dopler.