9 782759 821259

Le concept de symétrie est présent dans de nombreux domaines. Ses applications vont des mathématiques aux sciences expérimentales, en passant par l’architecture. Cependant, ainsi que l’a établi la physique du XXe siècle, la symétrie, qui joue un rôle fondamental dans notre compréhension de la Nature, est parfois violée de façon énigmatique. Ce livre met à la portée du grand public les découvertes extraordinaires qui découlent de la juxtaposition de la symétrie et de l’asymétrie dans la physique contemporaine.

L’auteur retrace la passionnante histoire des physiciens qui, suivant la voie ouverte par Einstein au début du XXe siècle, se sont efforcés de révéler la beauté et la simplicité du monde qui nous entoure. Ce livre, où le respect pour l’œuvre d’Einstein se nuance d’une touche de fantaisie, décrit l’itinéraire et les succès impressionnants de la physique du XXe et des débuts du XXIe siècles.

Anthony Zee est professeur à l’Université de Californie à Santa Barbara. Son domaine de recherches porte sur la physique des particules élémentaires. Il a écrit plusieurs manuels de physique à un niveau avancé ainsi que trois livres de vulgarisation.

« Ceci est le premier livre grand public qui se focalise sur la recherche de la beauté en physique, et dans ce

domaine il n’a pas de concurrent. », The New York Times

La collection « UNE INTRODUCTION À... » se propose de faire connaître à un large public les avancées les plus récentes de la science. Les ouvrages sont rédigés sous une forme simple et pédagogique par les meilleurs experts français.

Anthony Zee

VERTIGINEUSES SYMÉTRIESLa recherche de la beauté

en physique contemporaine

VERTIGINEUSES SYMÉTRIES

La recherche de la beauté en physique contemporaine

www.edpsciences.org

Création graphique : Béatrice Couëdel

Isbn : 978-2-7598-2125-939 €

Anthony ZeeTraduction de Michel Le Bellac

Préface de Roger PenroseAnthony Zee

VERTIGINEUSES SYM

ÉTRIES

9782759821259-COUV.indd 1 22/12/2017 11:52

i

i

“TITLE” — 2017/12/21 — 19:05 — page 1 — #1 i

i

i

i

i

i

Collection « Une Introduction à »dirigée par Michèle Leduc et Michel Le Bellac

Vertigineuses symétriesLa recherche de la beauté

en physique contemporaine

Anthony ZeeTraduction de Michel Le Bellac

Préface de Roger Penrose

17, avenue du HoggarParc d‘activités de Courtaboeuf, BP 112

91944 Les Ulis Cedex A, France

ii

“copy” — 2018/1/8 — 18:01 — page ix — #1 ii

ii

ii

Dans la même collection

Le nucléaire expliqué par des physiciensBernard Bonin, préface d’É. KleinLa cryptologiePhilippe GuillotL’aventure du grand collisionneur LHCDaniel Denegri, Claude Guyot, Andreas Hoecker et Lydia Roos,préface de C. RubbiaLe climat : la Terre et les hommesJean Poitou, Pascale Braconnot et Valérie Masson-Delmotte, préface de J. JouzelAux origines de la masse : particules élémentaires et symétrie fondamentalesJean Iliopoulos, préface de F. EnglertLes relativités : espace, temps, gravitationMichel Le Bellac, préface de T. DamourLe temps : mesurable, réversible, insaisissable ?Mathias Fink, Michel Le Bellac et Michèle LeducLa révolution des exoplanètesJames Lequeux, Thérèse Encrenaz et Fabienne CasoliÀ l’orée du cosmosAlain Omont

Retrouvez tous nos ouvrages et nos collections sur http://laboutique.edpsciences.fr

Authorized French translation from the English language edition, entitled “Fearful symmetry,the search for beauty in modern physics”, by A. Zee, published by Princeton University Press,978-0-691-17326-9. Copyright © 1986, Anthony Zee; Preface & Afterword © 1999, PrincetonUniversity Press; Foreword © 2007, Princeton University Press.Licensed by Princeton University Press, Princeton New Jersey, U.S.A. in conjunction with theirduly appointed agent, L’Autre agence. All rights reserved. No part of this book may be reproducedor transmitted in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying,recording or by any information storage and retrieval system, without permission in writing fromthe Publishers.

Imprimé en France

ISBN (papier) : 978-2-7598-2125-9 – ISBN (ebook) : 978-2-7598-2186-0© 2018, EDP Sciences, 17, avenue du Hoggar, BP 112, Parc d’activités de Courtabœuf,

91944 Les Ulis Cedex A

Tous droits de traduction, d’adaptation et de reproduction par tous procédés réservés pour touspays. Toute reproduction ou représentation intégrale ou partielle, par quelque procédé que cesoit, des pages publiées dans le présent ouvrage, faite sans l’autorisation de l’éditeur est illiciteet constitue une contrefaçon. Seules sont autorisées, d’une part, les reproductions strictementréservées à l’usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective, et d’autre part, lescourtes citations justifiées par le caractère scientifique ou d’information de l’œuvre dans laquelleelles sont incorporées (art. L. 122-4, L. 122-5 et L. 335-2 du Code de la propriété intellectuelle).Des photocopies payantes peuvent être réalisées avec l’accord de l’éditeur. S’adresser au : Centrefrançais d’exploitation du droit de copie, 3, rue Hautefeuille, 75006 Paris. Tél. : 01 43 26 95 35.

“AUTHOR” — 2017/12/15 — 18:13 — page iv — #2

Tyger ! Tyger ! burning brightIn the forests of the nightWhat immortal hand or eyeCould frame thy fearful symmetry ?

- William Blake

Tigre Ô Tigre ! Toi qui luisAu fond des forêts de la nuit,Quel esprit immortel sut faireTa symétrie meurtrière ?

- Traduction de A. Z. Foreman

“Preface” — 2017/12/16 — 10:09 — page v — #1

Préface

Les manifestations de la notion de symétrie sont omniprésentes dans la culturehumaine. La symétrie est aussi très souvent évidente dans la manière dont fonc-tionne le monde naturel. C’est une notion suffisamment simple pour être appré-hendée par un jeune enfant ; cependant elle est aussi suffisamment subtile pourjouer un rôle central dans les théories physiques les plus profondes et les pluscouronnées de succès, qui décrivent le fonctionnement intime de la Nature. Lasymétrie est donc un concept à la fois évident et profond.

La symétrie s’applique à de nombreux domaines. Certains sont purementpratiques, tels ceux utilisés en ingénierie – par exemple la symétrie bilatéraledans la conception des avions ou la symétrie dans la construction d’un pont – ou,à un niveau plus banal, dans la confection d’un mobilier élégant. Mais d’autresutilisations de la symétrie sont à l’évidence purement esthétiques et peuventfournir un ingrédient clé sous-tendant la beauté sublime de diverses œuvresd’art. De plus, cela est vrai pour un large spectre de disciplines, telles que lapeinture, la sculpture, la musique ou la littérature. En mathématiques, la notionde symétrie est le point de départ de vastes domaines de théories profondes,fournissant des intuitions pénétrantes avec de larges perspectives. La symétrieest aussi cruciale en cristallographie, comme elle l’est également en chimie.Il saute aussi aux yeux qu’elle est importante dans les fonctions biologiques.Des symétries superbes peuvent être trouvées en parcourant tout le domaine desplantes et des animaux, et ces symétries peuvent contribuer de plusieurs façonsdifférentes au fonctionnement efficace d’un organisme. La symétrie bilatérale,par exemple, est pratiquement universelle chez les animaux. Cependant, elle estparfois grossièrement violée, par exemple dans la spirale enroulante d’unecoquille d’escargot. Mais dans une telle coquille, nous trouvons l’émergenced’un type plus profond de symétrie, pas évident au premier abord : la symé-trie par mouvement de rotation, pourvu que ce mouvement de rotation soitaccompagné d’une expansion ou d’une contraction uniformes.

C’est en physique fondamentale, cependant, que nous découvrons l’inter-action la plus subtile entre symétrie et asymétrie car, comme la physique du

“Preface” — 2017/12/16 — 10:09 — page vi — #2

XXe siècle l’a révélé, les symétries jouent un rôle particulier dans les forcesfondamentales de la Nature, rôle qui est à la fois central et parfois violé de façonénigmatique. Certaines des idées sous-jacentes sont plutôt simples à appréhen-der, mais d’autres sont à l’évidence nettement plus sophistiquées. Toutefois, jecrois que cette sophistication incontestable ne doit pas être considérée comme unobstacle qui ne donnerait pas le droit à un public profane d’accéder à certainesde ces idées, qui déploient souvent une sorte de sublime beauté. Néanmoins, iln’est pas facile de présenter ces idées à un niveau accessible au lecteur profane,tout en maintenant intact l’intérêt du lecteur et en transmettant une compréhen-sion non triviale. Le grand mérite de Tony Zee est d’avoir atteint cet objectif defaçon magistrale dans son livre classique Vertigineuses symétries.

La physique fondamentale est intrinsèquement difficile, et le rôle crucial dessymétries est souvent subtil. En conséquence, ce rôle n’est généralement pas ex-pliqué de façon suffisamment longue ou approfondie à un public profane. Dansle domaine de l’art, au contraire, il n’est en général pas difficile de produire desœuvres accessibles mettant en évidence l’utilisation des différentes propriétésdes symétries, souvent grâce à l’utilisation d’images simples, et c’est aussi le casen architecture et en ingénierie. Cela semble aussi être vrai des descriptions debiologie et des livres décrivant la beauté naturelle des substances cristallines.Il existe même de nombreux livres de vulgarisation où des formes symétriquesde géométrie pure, ou bien d’autres domaines de mathématiques pures, peuventêtre rendues accessibles même au lecteur sans connaissances mathématiques ap-profondies. Mais il existe quelque chose de particulièrement difficile à commu-niquer en ce qui concerne le rôle des symétries en physique fondamentale, enparticulier parce que ce rôle est souvent très abstrait et dépend des principeshautement non intuitifs et déroutants de la physique quantique. Les exigencesde la physique quantique sont en elles-mêmes difficiles à appréhender. Elles sontsouvent subtiles et ont une importance particulière pour le fonctionnement de laNature au niveau le plus profond auquel l’esprit humain a été capable de péné-trer. C’est lorsque les idées de symétrie et de mécanique quantique fusionnentque nous découvrons les subtilités particulières qui sont cruciales pour notrecompréhension actuelle des forces fondamentales de la Nature.

Tout ce qui précède souligne les difficultés de l’entreprise de Tony Zee et nepeut que décupler notre admiration pour sa superbe réussite. Mais il a utilisé àson avantage un aspect qu’il a parfaitement su expliquer : le fait que symétrieet beauté sont étroitement liées. En mettant l’accent sur la beauté dans l’uti-lisation des symétries qui sous-tendent nos théories modernes des forces de laNature, plutôt que de s’appesantir sur les détails mathématiques, il a été capablede court-circuiter la plupart des détails techniques et plusieurs des difficultés defond qui subsistent et qui aujourd’hui font obstacle à des progrès ultérieurs.

vi Préface

“Preface” — 2017/12/16 — 10:09 — page vii — #3

En fait, c’est une histoire dont nous ne connaissons pas la fin, et elle est encoreparsemée d’énigmes et d’incohérences. Bien sûr, cela rend d’autant plus fasci-nante l’étude des progrès qui ont été accomplis jusqu’à présent, et incitera peut-être davantage de lecteurs à pénétrer de façon sérieuse ce monde merveilleux– un monde qu’ils n’auraient pas pris en considération auparavant.

Et pour cela Tony Zee se révèle ici un guide merveilleux !

Roger Penrose, mars 2007

VERTIGINEUSES SYMÉTRIES vii

“Avont-1986” — 2017/12/16 — 9:33 — page ix — #1

Avant-proposde la première édition, 1986

Dans Vertigineuses symétries, je souhaite discuter les motivations esthétiquesqui sous-tendent la physique du XXe siècle. Je suis plus intéressé à transmettreau lecteur le sens du cadre intellectuel dans lequel opère la physique fondamen-tale que par l’explication du contenu factuel de la physique moderne.

Albert Einstein affirma un jour : « je veux savoir comment Dieu a créé cemonde. Je ne suis pas intéressé par tel ou tel phénomène, par le spectre de tel outel élément. Je veux connaître Sa pensée, le reste n’est que détail. »

Comme physicien, je suis tout à fait séduit par ce sentiment exprimé parEinstein. Alors que la majorité des physiciens se préoccupe d’expliquer desphénomènes spécifiques, ce qui est parfaitement légitime, un petit groupe dephysiciens, les héritiers intellectuels d’Einstein, sont devenus plus ambitieux.Ils ont pénétré la forêt nocturne à la recherche du dessein ultime de la Nature et,dans leur hubris sans limite, ils affirment l’avoir entrevu.

Deux grands principes guident leur recherche : symétrie et renormalisabilité.La renormalisabilité décrit la façon dont sont reliés entre eux deux processusphysiques dont les longueurs caractéristiques sont différentes. Tandis que je vaissimplement évoquer la renormalisabilité, je me focaliserai sur la symétrie entant que point de vue esthétique à travers lequel les scientifiques de la physiquefondamentale voient la Nature.

La physique fondamentale a bénéficié d’un intérêt croissant au cours de cesdernières années. On ne compte plus les exposés sur la « nouvelle physique ».Aujourd’hui, la plupart d’entre nous ont appris qu’il existe des milliards et desmilliards de galaxies, chacune contenant des milliards et des milliards d’étoiles.On nous a dit que le monde peut être compris en termes de particules subnu-cléaires, dont la plupart ne vivent que des milliardièmes de milliardième deseconde. Le lecteur informé a été étonné et ébloui. Oui, sans aucun doute, lemonde de la physique moderne est merveilleusement bizarre. Des particules

“Avont-1986” — 2017/12/16 — 9:33 — page x — #2

affublées de noms grecs gigotent au son de la musique quantique en mettant audéfi le déterminisme classique. Mais, au bout du compte, le lecteur peut avoirl’impression qu’on lui a simplement fait ingurgiter des faits qui, aussi surpre-nants soient-ils, finissent par le faire bâiller d’ennui.

Ce livre s’adresse au lecteur intellectuellement curieux, qui veut aller au-delàdes faits. J’ai une image mentale de ce lecteur : quelqu’un que j’ai connu dans majeunesse, quelqu’un qui est peut être devenu depuis architecte, artiste, danseur,courtier, biologiste ou avocat, quelqu’un d’intéressé par le cadre esthétique etintellectuel où se développe la physique fondamentale.

Cela ne veut pas dire que les découvertes étonnantes de la physiquemoderne ne seront pas expliquées dans ce livre. Elles devront nécessairementêtre expliquées avant que je puisse discuter utilement le cadre intellectuel dela physique moderne. J’espère néanmoins que le lecteur pourra bénéficier nonseulement d’un clin d’œil complice à certains faits étonnants, mais avoir aussil’intuition du cadre sans lequel ils resteraient simplement des faits.

Je n’ai pas essayé d’écrire une histoire détaillée et équilibrée des symétriesen physique. Tout exposé dans lequel les développements majeurs peuvent êtreattribués à une poignée d’individus ne peut pas prétendre faire œuvre histo-rique, et toute affirmation contraire doit être catégoriquement rejetée.En évoquant certains développements de la physique moderne des particules,l’éminent physicien Shelley Glashow a un jour remarqué : « les tapisseries sontle résultat d’un travail collectif de plusieurs artisans. Les contributions des diffé-rents artisans ne peuvent pas être discernées dans l’œuvre finale, les fils défaitsou incorrects ont été recouverts. Il en est ainsi de notre image de la physique desparticules. . . [Le modèle standard] n’est pas apparu d’un seul coup dans le cer-veau d’un seul physicien, ni même de trois. Ce modèle, également, est le résultatde l’effort collectif d’un grand nombre de scientifiques, à la fois expérimenta-teurs et théoriciens. » Et cependant, dans un exposé de vulgarisation commecelui-ci, je suis inévitablement obligé de simplifier l’histoire. Je suis confiant quele lecteur le comprendra.

Santa Barbara, avril 1986

x Avant-propos de la première édition, 1986

“avont-1999” — 2017/12/16 — 9:34 — page xi — #1

Avant-proposde la deuxième édition, 1999

Je suis heureux rétrospectivement d’avoir décidé d’écrire Vertigineuses symé-tries. Au cours d’une visite à l’université du Texas en 1984, je bavardais avecl’éminent physicien Steven Weinberg lorsque sa secrétaire lui apporta uncourrier, qui se trouvait contenir une recension de son deuxième livre devulgarisation. De façon naturelle, notre conversation aborda l’écriture des livresde vulgarisation en physique. Plusieurs physiciens m’avaient enouragé à écrireun manuel, sur la théorie quantique des champs en particulier. Au lieu depoursuivre dans cette direction, non seulement Weinberg m’encouragea à écrireun livre de vulgarisation, mais il me présenta à son éditeur et me fournit desconseils avisés. Ainsi, quelques mois plus tard, je me retrouvai à New-Yorkpour déjeuner avec l’éditeur de Weinberg. Il m’avait demandé d’apporter unchapitre comme échantillon, et je choisis le chapitre sur les lois de conservation ;il commençait par la phrase : « Il n’y a pas de déjeuner gratuit. » L’éditeur se mità rire : « Si, il y en a. » Depuis lors, j’ai été invité à déjeuner à maintes reprisespar divers éditeurs et agents, et j’ai réappris qu’en un certain sens il n’y a pas dedéjeuner gratuit. Le lecteur curieux trouvera cette phrase sur le déjeuner gratuitdans le chapitre 8, mais elle ne figure plus au début du chapitre.

Je suis heureux d’avoir écrit Vertigineuses symétries en raison de toutes leslettres extraordinaires, et même les cadeaux, que j’ai reçus de lecteurs recon-naissants, en raison de toutes ces recensions flatteuses pour l’ego, en raison duplaisir d’entendre mes mots lus par un acteur professionnel dans une cassetteaudio pour aveugles, et parce que j’ai vu ma prose immortelle traduite dansplusieurs langues étrangères. Mais avant tout, je suis heureux parce que ce livrem’a permis de quitter pour une fois la communauté des physiciens. J’ai été invitéà donner des conférences dans toutes sortes d’endroits intéressants, par exempleau Centre National d’Arts de Bombay, où j’ai appris le rôle des symétries dansla danse indienne, et à l’Académie des Arts de Berlin où je fus invité à participer

“avont-1999” — 2017/12/16 — 9:34 — page xii — #2

à un symposium sur le racisme (ce que la symétrie a à voir avec le racismen’est pas clair pour moi). Vertigineuses symétries a lancé ma carrière d’écrivain.Les pages que j’ai extraites de mon manuscrit sont devenues le cœur de monsecond livre de vulgarisation An Old’s Man Toy. Il n’a pas fallu longtempspour que je trouve des pages de Vertigineuses symétries citées dans un manueluniversitaire sur l’écriture, et j’ai été invité à parler devant des auditoires surl’écriture créative.

Je déplore que Macmillan Publishing Company ait laissé mon livre s’épuiser.Par la suite, je me suis familiarisé avec quelques statistiques désastreuses surl’industrie commerciale de publication. Aussi suis-je heureux, particulièrementcomme ancien étudiant de Princeton, que Princeton University Press publie unenouvelle édition de Vertigineuses symétries. Je remercie les physiciens MurphGoldberger, Dave Spergel et Sam Treiman qui ont encouragé ce projet, et meséditeurs Trevor Lipscombe et Donna Krone Meyer pour leur excellent travail.

Je voudrais remercier Joe Polchinski et Roger Shepard pour leur lecture dela postface ajoutée à cette édition de Princeton University Press. Je pense qu’ilest approprié de remercier à nouveau les physiciens qui ont relu tout ou par-tie du manuscrit : Bill Bialek, Sidney Coleman, Murray Gell-Mann, Tsung-DaoLee, Heinz Pagels, Steve Weinberg et Franck Wilczek. Enfin je dois remercierGretchen Zee pour des années de soutien et d’affection.

Santa Barbara, mars 1999

xii Avant-propos de la deuxième édition, 1999

“Remerciements” — 2017/12/16 — 10:09 — page xiii — #1

Remerciements

Tout d’abord et avant tout, je souhaite remercier mon épouse Gretchen. Ses com-mentaires critiques incisifs, aussi bien que son soutien affectueux, ont été essen-tiels. Elle lisait chaque chapitre au fur et à mesure de leur écriture, tailladantbrutalement dans le manuscrit. « Je ne peux pas comprendre cela ! », et elle gri-bouillait sur la page. Et je devais revenir à la table de travail !

Nos amis Kim Beeler, Chris Groesbeck, Martha et Franck Retman et DianeShuford ont lu différentes parties du manuscrit afin de s’assurer que le texte soitcompréhensible pour le lecteur novice.

Heins Pagels et Seve Weinberg, deux éminents collègues qui ont publié desouvrages de vulgarisation en physique, m’ont tous les deux encouragé à pour-suivre mon idée d’en écrire un sur les symétries. Ils m’ont généreusement donnédes conseils sur différents aspects de l’écriture et de la publication, et m’ont pré-senté à leurs amis du monde de l’édition.

Je suis reconnaissant à Tsung-Dao Lee, Heinz Pagels et Steve Weinberg pourleur lecture du manuscrit ainsi que pour leurs commentaires utiles et encoura-geants. Je voudrais aussi remercier Sidney Coleman et Franck Wilczek pour leurlecture du chapitre 12, Murray Gell-Mann pour sa lecture du chapitre 11 et BillBialek pour sa relecture des épreuves.

J’ai eu la chance d’avoir Charles Levine comme directeur de collection. Sesconseils et son soutien ont été indispensables. Il m’a rassuré quand j’avais besoinde l’être et critiqué quand c’était nécessaire. Je suis heureux de m’en être fait unami.

Ma relectrice, Catherine Shaw, a accompli à l’évidence un très bon travail carj’ai dû passer presque deux mois à récrire le manuscrit pour répondre à tousses commentaires. « Je ne peux pas comprendre cela ! » disait-elle à son tour. Enconséquence, le livre est devenu plus clair. Le manuscrit a été encore poli par maresponsable éditoriale Roberta Frost.

Martin Hessler m’a fourni des conseils utiles au tout début de ce projet.J’ai aussi bénéficié des conseils de mes agents, John Brockman et Katinka

Matson.

“Remerciements” — 2017/12/16 — 10:09 — page xiv — #2

Les artistes cités ci-dessous m’ont aidé à rendre le livre plus attirant visuelle-ment et plus clair : Bonnie Bright, Michael Cullen, Ji-jun Huang, Eric Junker, JoeKarl, Peggy Royster, Clara Weis, Gretchen Zee.

Je suis heureux que la directrice de conception du livre ait été Helen Mills,dont le frère apparaîtra au chapitre 12. Un goût pour les symétries et l’équilibresemble être un trait de famille.

Enfin, je voudrais remercier Debra Witmoyer, Lisa Lopez, Gwenn Cattron,Katie Doremeus, Karen Murphy and Kresha Warnok qui ont dactylographiédifférentes parties du manuscrit.

xiv Remerciements

“NOTE_TRAD” — 2017/12/15 — 18:14 — page ix — #1

Note du traducteur

Le lecteur français sera sans doute surpris, et peut-être même un peu agacé, parles multiples références à Dieu, au Créateur, à l’Architecte Ultime, etc. qu’il trou-vera dans le texte au fil de sa lecture. L’auteur s’en explique dans un paragraphede la postface (page 307), « Déisme face au théisme », et je renvoie le lecteur à ceparagraphe pour plus d’explications. J’aurais pu utiliser un terme unique, parexemple « Concepteur Ultime », mais j’ai préféré restituer dans la traduction lavariété des termes utilisés par l’auteur.

La première édition anglaise du livre date de 1986, et sa version révisée de1999. En près de vingt ans la physique fondamentale a sensiblement évolué etj’ai effectué une mise à jour partielle, en particulier dans le domaine de la phy-sique des particules élémentaires. Ainsi j’ai mentionné la découverte du bosonde Higgs en 2012 au CERN, la confirmation au début des années 2000 duphénomène des oscillations neutrino et ses implications pour les masses de cesparticules, la mise en évidence directe en 2012 de la violation de l’invariance parrenversement du temps, etc. Cette actualisation a été effectuée principalementdans les notes en fin de livre. Il aurait été souhaitable de mettre à jour le cha-pitre 15 sur la grande unification et le chapitre 18 sur les cordes et supercordes,mais une telle actualisation allait au-delà de mes compétences. Toutefois monregret de ne pas avoir pu le faire est tempéré par le fait qu’il n’existe pas de vé-ritable consensus sur les sujets traités dans ces deux chapitres, et que la plupartdes idées nouvelles sont encore très spéculatives. Je ne peux que renvoyer le lec-teur à des livres récents, par exemple ceux de Sean Carroll : The Big Picture, deLisa Randall : Knocking on Heaven’s Door, ou de Helen Quinn et Yossi Nair :The Mystery of the Missing Antimatter, qui sont cités dans les notes 13f et 14g.

Michel Le Bellac, professeur émérite de physique

“"TOC "” — 2017/12/18 — 16:11 — page xvii — #1

Table des matières

Préface v

Avant-propos de la première édition, 1986 ix

Avant-propos de la deuxième édition, 1999 xi

Partie I. Symétrie et dessein 1

1 À la recherche de la beauté 31.1 La beauté avant la vérité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2 Entraînons nos yeux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.3 Beauté intrinsèque et beauté extrinsèque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.4 La vie dans l’univers d’un créateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.5 La musique et le livret . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.6 Décrets spécifiques et principes constitutionnels . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2 Symétrie et simplicité 92.1 Un aperçu de la Nature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.2 Une beauté austère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.3 La leçon du castor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.4 Symétrie de rotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.5 Symétrie des lois physiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.6 Réductionnisme printanier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.7 La simplicité engendre la complexité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.8 La loi des grands nombres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.9 Une hiérarchie de forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3 La face lointaine du miroir 233.1 L’esprit et la symétrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.2 Alice et Narcisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

“"TOC "” — 2017/12/18 — 16:11 — page xviii — #2

3.3 Une croyance enracinée est bousculée. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283.4 Le monde dans un miroir est-il identique au nôtre ? . . . . . . . . . . . . . . 313.5 La grande dame et la main gauche de Dieu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333.6 Le grincheux et son fantôme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363.7 Le coupable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.8 Dans l’antimiroir . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403.9 Une perversité diabolique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.10 Ce qui Lui plaît . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

Partie II. L’héritage d’Einstein 49

4 Le mariage de l’espace et du temps 514.1 Fondements intellectuels et conséquences étonnantes . . . . . . . . . . . . 514.2 En descendant lentement le courant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524.3 La relativité du mouvement en tant que symétrie . . . . . . . . . . . . . . . . 544.4 Sur l’électrodynamique des corps en mouvement . . . . . . . . . . . . . . . . 564.5 Grenouilles et magnétite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564.6 Que le champ de forces soit avec vous . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 584.7 Télécommunications, philosophes fran ais et pigeons . . . . . . . . . . . . 614.8 Que la lumière soit, mais qu’est-ce que la lumière ?. . . . . . . . . . . . . . . 624.9 La grande question . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644.10 Einstein et le temps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654.11 Le temps et le mouvement au XVIe siècle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 674.12 Une nouvelle transformation de l’espace et du temps . . . . . . . . . . . . 684.13 Mécanique révisionniste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 704.14 Connexions internes : la puissance des symétries . . . . . . . . . . . . . . . . . 724.15 La quête de l’unification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

5 Une idée heureuse 775.1 La structure invariante de la réalité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 775.2 L’idée la plus heureuse et un sentiment de naufrage. . . . . . . . . . . . . . 785.3 Une différence subtile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 815.4 Covariance généralisée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 815.5 Nos perceptions par transformations de coordonnées . . . . . . . . . . . . 855.6 La théorie de la gravitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 855.7 L’espace-temps déformé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 865.8 La déviation de la lumière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 875.9 Canonisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 895.10 Le temps déformé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 905.11 Trous noirs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

xviii Table des matières

ç

ii

“Index” — 2017/12/18 — 16:40 — page 361 — #3 ii

ii

ii

SU(2)×U(1) 231, 242, 243SU(3) 181–183, 187, 211, 242,

243, 352SU(5) 243, 245, 252, 255, 264,

282, 285, 294, 295, 303Z(2) 129, 130

Hhadron 188, 189, 191, 241, 250,

328, 352hélicité 39, 340hiérarchie des interactions 20, 248hypéron

lambda Λ0 176, 178, 181, 187sigma Σ+, Σ0, Σ− 178xi Ξ−, Ξ0 176, 178

Iimpulsion (ou quantité de

mouvement) 54, 55, 57, 70, 118,122, 123, 149, 343

inflation 53interactions

électromagnétiques 164–166,205, 208, 228–231, 233–237, 239,291, 314, 322, 324, 329, 357

électrofaibles 240, 241électron-photon 16faibles 20, 30, 34, 36, 37, 39, 40,

42, 46, 47, 74, 165, 166, 170,207, 208, 228–231, 233–237,239, 240, 249, 252, 259, 260,269, 274, 275, 280, 314, 317,321, 322, 324, 329, 331, 336,345, 357

fortes 161, 165, 166, 168–173,177, 178, 183, 185–189, 192,193, 196, 197, 203, 204,

206–210, 212, 214, 221,234–236, 240, 249, 268, 275,276, 280, 313, 314, 317, 321,324, 351, 354

gravitationnelles 165, 166, 277,279, 324

invarianceCP 43–46, 259, 261, 289, 290CPT 289, 290, 359de Galilée 64, 65, 68, 69, 80, 331de Lorentz 193par conjugaison de charge 42,

43, 289par parité 27–30, 33, 39, 40, 42,

43, 54, 115, 273, 289par renversement du temps xiv,

287–291par rotation 12, 13, 52, 73, 115,

123, 153, 154, 166, 219, 223,225, 226, 228, 350, 355

relativiste 54, 56, 64–66, 68, 70,72, 74, 77–79, 151, 289, 290,309, 342

intégrale de chemin 150, 151isospin 167, 169, 179, 184, 193

Llepton 176, 245, 248, 270, 352liberté asymptotique 207–209, 212,

215, 240loi de conservation

de l’énergie 117, 156de la charge 156, 198de l’étrangeté 175, 176de l’impulsion 118du moment angulaire 123, 156

loide Coulomb 57, 60–62, 98, 113

VERTIGINEUSES SYMÉTRIES 361

ii

“Index” — 2017/12/18 — 16:40 — page 362 — #4 ii

ii

ii

de Newton 100, 105, 110, 111longueur d’onde 141, 142, 205

Mmécanique quantique vi, 37, 45,

114, 151, 349méson

B 46, 259, 260, 289–291, 359K(ou kaon) 178, 259, 260,

289, 291, 359pi (π ou pion) 172

modèle standard des particules 357moment angulaire (ou moment

cinétique) 123multiplet 168, 171, 177, 178, 183muon (µ) 268–271, 352, 358, 359

Nneutrino

électronique νe 269, 270, 339muonique νµ 269, 270, 340tauonique ντ 339

nombre baryonique 251, 256–260,358

neutron 18, 145–149, 161–168, 175,176, 178, 179, 181, 187, 189, 197,202, 219, 231, 232, 248–251, 253,327, 328, 350–353, 359

nucléon 163, 172–174, 202, 241, 243,248, 256, 265, 267, 283

Ooctet 179, 183omega moins Ω− 184

Pparticule

étrange 45, 175phénomène de Higgs 234, 235, 356physique quantique vi, 10, 101,

114, 139, 142, 144–153, 155–157,167, 170, 171, 173, 174, 199, 205,212, 215, 217, 220, 224, 230, 274,275, 285, 291, 305, 306, 313, 326,335, 348–350, 361

photon 15, 40, 64, 65, 87, 88, 90, 142,171, 174, 177, 196, 199, 201, 202,229–232, 234, 236, 240, 242, 243,245, 248, 249, 258, 265, 273, 283,314, 317, 324, 335, 342, 343, 348,357

positron 41, 72, 118, 201, 209,251, 252, 256, 272, 349

principeanthropique 295d’action 108, 109, 111, 113,

144, 346de Fermat 107–109d’équivalence 80, 81, 88–90d’indétermination de

Heisenberg 349de jauge 15

probabilité 31, 33, 37, 41, 43, 143,144, 146, 147–154, 156, 170–172,199, 205, 209, 230, 253, 288, 308,349, 350

proton 18, 134, 161–163, 165–168,170, 175, 177–179, 181, 187, 189,190, 197, 200, 202, 207, 213, 215,219, 220, 229, 231, 232, 245, 246,248–259, 267, 270, 279, 306, 317,319, 327, 328, 340, 350–353

362 Index