De la matière : Relativiste, quantique, interactive

En fin de compte, nous avons introduit trois symétries d'une grande importance en physique fondamentale:
- la réflexion d'espace, usuellement notée P (à cause de son autre appellation de "parité");
- le renversement du temps, noté T;
- la transformation mutuelle matière-antimatière, appelée aussi conjugaison de charge, puisqu'elle inverse le signe des charges (électriques ou autres), et notée C.
Leur caractère est d'être réflexif, c'est-à-dire que leur réitération ramène à la situation de départ : une image miroir dans un second miroir est identique à l'objet de départ, un film passé à l'envers de nouveau inversé est le film originel, et l'antimatière de l'antimatière est la matière ordinaire.
L'une des grandes surprises de la physique moderne est d'avoir montré que, en toute rigueur, aucune de ces symétries n'est valide pour tous les phénomènes (même si la plupart, à notre échelle au moins, les respectent toutes les trois). Mais cette rupture d'avec le sens commun est partiellement compensée par un puissant résultat de cette théorie, que l'expérience confirme. Si ni la réflexion d'espace P, ni le renversement du temps T, ni la conjugaison de charge C ne valent absolument, en revanche leur combinaison reste une symétrie valide. Autrement dit, le film d'une expérience de physique passé à l'envers et vu dans un miroir représente une autre expérience de physique possible où les particules auraient toutes été remplacées par leur antiparticules. C'est en ce sens que matière et antimatière peuvent être dites avoir les même propriétés, cet énoncé exigeant que, dans certains cas au moins, les propriétés considérées fassent l'objet d'une double inversion temporelle et spatiale. Il reste donc au cœur de la matière une symétrie fondamentale. L'importance considérable de cette assertion provient de ce qu'elle repose sur une démonstration rigoureuse. La preuve de ce "théorème CPT", comme on l'appelle, repose à la fois sur la théorie relativiste einsteinienne de l'espace-temps et sur les concepts de base de la théorie quantique. La confirmation expérimentale de ce résultat, jusqu'ici jamais mise en défaut, apporte un soutien de poids à ces deux théories à la fois, et souligne leur compatibilité.

Des objets de masse nulle?
Envisageons maintenant les conséquences spécifiques de la théorie einsteinienne sur notre compréhension de la matière, et en particulier des particules fondamentales qui la constituent, tels les électrons, les photons, les nucléons (protons et neutrons), etc. Une première conséquence, et peut-être l'une des plus surprenantes, c'est qu'outre les objets dont nous avons l'habitude, des objets qui ont une certaine masse, que l'on peut immobiliser, dont la vitesse varie selon l'énergie cinétique qui leur est conférée, il existe, ou tout au moins il peut exister, d'après la théorie einsteinienne, une autre catégorie d'objets, tout à fait différents : des objets de masse nulle. Cette idée semble dans un premier temps tout à fait paradoxale : comment un objet de masse nulle peut-il être un objet? C'est d'abord que d'avoir une masse nulle ne l'empêche pas d'avoir de l'énergie, et donc de pouvoir échanger de l'énergie avec d'autres objets et d'exercer ainsi une influence physique effective. Cette énergie est pour le coup uniquement cinétique, puisque, dépourvu de masse, l'objet est également dépourvu d'énergie interne. La caractéristique la plus extraordinaire d'un tel objet est de ne pouvoir connaître le repos. En effet, s'il était immobile, ayant une masse nulle, son inertie serait également nulle et il pourrait être accéléré immédiatement jusqu'à la vitesse limite. Ce paradoxe disparaît si l'on admet que de tels objets se déplacent toujours à la vitesse-limite. Ils ne peuvent être ni accéléré, ni ralentis. Leur énergie (cinétique), variable quant à elle, est sans effet sur le vitesse. Apparaissent ainsi des objets proprement impensables dans le cadre galiléen où il n'y a pas de vitesse-limite finie.Mais si la théorie permet l'existence de tels objets, en existe-t-il vraiment? Un type d'objet peut très bien avoir une existence théorique potentielle et la nature ne pas en faire usage. La nature n'est pas obligée de se couler dans le moule de tous les concepts que nous élaborons pour la comprendre. Il semble bien pourtant que les "grains" de lumière, les quantons du champ électromagnétique, qu'on nomme photons, ont une masse nulle. De fait, c'est bien la raison pour laquelle la lumière se déplace toujours à la vitesse-limite. Des photons d'énergie différentes ne diffèrent pas par leurs vitesses! Un photon de grande énergie sera plus pénétrant, correspondra à un rayonnement de grande fréquence, ultra-violets, rayons X ou gamma : un photon de faible énergie correspondra à un rayonnement de basse fréquence, infrarouge ou onde radio - mais leur vitesse sera toujours la même. Il y a là une modification profonde de l'idée que nous nous faisons des constituants de la matière, des objets fondamentaux.