Glossaire de la vulgarisation, termes, expressions, analogies

[Deedee81]

Glossaire de la vulgarisation, termes, expressions, analogies

Introduction

Ceci est un document reprenant une liste de termes, d'expressions et d'analogie souvent rencontrées dans la vulgarisation. Nous nous limiterons ici à la vulgarisation en physique.

La motivation de document est le constat récurent que la vulgarisation, même sans être nécessairement de mauvaise qualité, est presque toujours imparfaite :
- Elle ne précise pas les connaissances prérequises pour aborder le sujet.
- Elle ne montre que le sommet de l'iceberg scientifique (les principaux résultats) sans en montrer la source (la somme parfois considérable de travail expérimental et théorique qui y a aboutit).
- Elle emploie des termes scientifiques sans les définir. Or souvent les termes ont des définitions scientifiques précises, différentes de leur usage dans la vie courante (lorsqu'il existe, bien sûr) et beaucoup de termes sont polysémiques (plusieurs sens différents, qui dépendent en particulier du contexte théorique).
- Elle utilise des analogies dont les limites de validité ne sont pas précisées.

Ce document a pour but de tenter dans la mesure du possible de corriger les deux derniers points.

Nous donnerons ci-dessous :
- Une série de termes ou expressions avec le contexte théorique, la ou les définitions et une série de remarques sur l'usage en vulgarisation.
- Une série d'analogies avec le contexte, une brève description et le limites de l'analogie.

Rappelons qu'une analogie ne présente pas le phénomène réellement décrit mais quelque chose de plus familier dont une série de propriétés et comportement sont analogues au phénomène décrit.

Ce document n'est pas un dictionnaire. Nombre de termes ne sont pas repris car ils sont non problématiques et bien connus du grand public (au moins celui intéressé par la vulgarisation) ou qui sont employés en vulgarisation mais sans réel problème en général (sauf peut-être dans de la très mauvaise vulgarisation) car expliqués explicitement ou implicitement de manière suffisante pour être correctement compris.

C'est uniquement si on a eut un constat fréquent ou occasionnel de confusion ou d'imprécision que le terme est repris.

Ce document n'est pas cours et les explications seront courtes mais aussi simples, claires et précises que possible. A nouveau, l'atome n'est pas repris car il ne s'agit pas ici d'expliquer sa structure, ses propriétés, ses applications...

Certaines définitions utilisent des termes également donnés ici, n'hésitez pas à le vérifier. Certaines définitions peuvent être un peu techniques. En cas de difficulté, n'hésitez pas à consulter d'autres sources telles que Wikipedia.

Vulgarisation
Rappelons que la vulgarisation est une présentation "littéraire", imagée de la science (théories, expériences) afin de la faire comprendre au grand public. Le niveau de difficulté peut varier (certaines vulgarisations visent un public plus averti), mais dans tous les cas elle n'utilise pas les mathématiques, langage par excellence de la physique.
-----

[Deedee81]

Termes

Amplitude
- Sens général
Ampleur maximale d'un phénomène quelconque. Exemple, l'amplitude des marées.
- En physique ondulatoire
C'est la valeur prise par une grandeur qui varie au cours du temps (amplitude instantanée) ou sa valeur maximale (attention, les deux usages se rencontrent).
- En mécanique quantique
C'est un nombre complexe (au sens des nombres complexes en mathématique et non au sens "compliqué") caractérisant une transition ou une transformation physique. Le carré de son module caractérise la probabilité de la transition/transformation. Une amplitude se caractérise par son module et une phase.

Ce dernier usage se rencontre parfois dans la vulgarisation sans qu'il en soit réellement précisé le sens, il est vrai, assez technique. Pour faire simple, on peut souvent l'identifier avec la probabilité.

Antimatière
- En physique des particules
Les particules d'antimatière sont nommées antiparticules (antiélectron ou positron, antiproton, antineutron,...). L'antiparticule est identique sous tout aspect à la particule correspondante mais avec un signe des charges (électriques et autres) renversés et un changement du sens du spin (ce qui n'a d'importance que pour le neutrino). Exemple l'électron est de charge électrique négative et le positron (même masse et autres propriétés) a une charge électrique positive.

Les antiparticules sont des particules comme les autres. Il est même parfois impossible d'attribuer le caractère matière et antimatière sauf de manière arbitraire (exemple le méson K et son antiparticule). Une particule "normale" est l'antiparticule de son antiparticule.

Certaines particules sont leur propre antiparticule, comme le photon.

Il n'est pas rare que le terme antimatière soit utilisé en vulgarisation sans réellement le définir. Ce qui peut lui donner une aura mystérieuse... qu'elle ne mérite pas.

Baryon
- En physique des particules
Un baryon est un hadron composé de trois quarks. Les nucléons (protons et neutrons) en sont un exemple.

Base
Outre son sens courant :
- Théorie mathématique des espaces vectoriels. Se rencontre dans tous les domaines en physique
Les vecteurs sont un ensemble d'objets mathématique plus un corps de scalaire (des réels ou des complexes) munis d'une addition et de quelques axiomes : commutativité, associativité, multiplication par un scalaire.

Leur usage le plus connu est en géométrie où ils sont souvent représentés par une flèche avec une taille et une direction. Si AB est le vecteur allant de A vers B, alors AB+BC=AC.

Une base est un ensemble fini de vecteurs telle que tout vecteur peut être obtenu par une combinaison des vecteurs de base et telle que la combinaison donnant un vecteur de base est unique (le vecteur de base lui-même). Pour un espace vectoriel, il existe une infinité de bases possibles. Le nombre de vecteurs de base est caractéristique de l'espace vectoriel et est appelé dimension de l'espace vectoriel.

Le mot base est parfois cité dans la vulgarisation sans dire de quoi il s'agit.

Big Bang
- Cosmologie
Le big bang est la théorie décrivant l'évolution de l'univers en expansion à partir d'un état dense et chaud.

Le nom de "big bang" (grand boum en anglais) est en réalité une expression moqueuse utilisée par Fred Hoyle, opposant à cette théorie. Le succès de cette expression a certainement eut l'effet inverse de ce qu'il escomptait, en popularisant largement a théorie.

Une meilleure expression est Modèle Standard de la cosmologie. En particulier parce qu'il n'est pas une théorie (au sens habituel utilisé en physique) mais bien un modèle, c'est-à-dire une description phénoménologique utilisant les données issues de l'observation et les théories physiques solidement établies et validées par ailleurs : relativité générale, thermodynamique, physique des particules, etc. Ce modèle évolue avec l'acquisition de nouvelles données.

Notons qu'on inclut parfois, mais abusivement, dans cette expression, les premiers instants de l'univers tels que décrit par les modèles issus de la relativité générale (singularité initiale) alors qu'en réalité nos théories sont inadéquates dans ce domaine et ces instants initiaux ne font PAS partie du Modèle Standard. Parfois même certains appellent "big bang" uniquement ces premiers instants !

La vulgarisation peut être ambigüe car elle ne précise pas toujours quelle définition est utilisée. Ou, pire, adopte une définition incluant ces premiers instants en laissant croire (implicitement ou explicitement) que cela fait partie du consensus scientifique alors que c'est faux, celui-ci se limitant au Modèle Standard. Il faut dire que certaines expressions à la mode, comme "pré-big bang" y contribuent. (les modèles de pré-big bang sont des modèles construits sur les théories spéculatives de gravité quantique, décrivant ce qui a pu précéder la singularité ou ce qui en tient lieu. Alors que ces théories sont loin d'être validées).

Boson
- En physique des particules
Particules avec un spin entier et ayant un comportement collectif décrit par la statistique de Bose-Einstein. Elles manifestent un comportement grégaire, un boson ayant plus de chance (par rapport à la statique de Maxwell-Boltzmann en physique classique) de se placer dans un état donné si d'autres bosons identiques s'y trouvent déjà.

Parmi les bosons on retrouve les photons, le gluon, les bosons intermédiaires, les mésons. On qualifie aussi de bosons des atomes ou des noyaux d'atomes ayant un spin entier.

Boucle
- Gravitation quantique à boucles
Une boucle est un circuit fermé, une ligne courbe, dans l'espace-temps. En mathématiques, on parle d'holonomie.

Brane
- Théorie des cordes
Une brane est une variété (point, courbe, surface, volume, ...) à N dimensions (N-brane) où se situe les extrémités des cordes ouvertes. Mathématiquement, ce sont les conditions aux limites pour la résolution des équations. Mais les branes s'avèrent avoir leur propre dynamique.

[Deedee81]

Calcul quantique
- Mécanique quantique
Le calcul quantique consiste en des algorithmes (et leur implémentation pratique) exploitant les propriétés quantiques des particules, à savoir le principe de superposition (une particule peut se trouver dans un état combiné de plusieurs états de base élémentaires, comme deus positions) et l'intrication quantique.

Le calcul quantique, notoirement difficile à implémenter à cause de la décohérence, permettra d'améliorer a vitesse de calcul de certains calculs qui sont couteux en temps de calcul avec l'approche classique : calculs dont la complexité est dans la classe NP, algorithmes de tris et de recherche, factorisation des grands nombres...

Le calcul quantique n'améliore pas la calculabilité. Une fonction non calculable (au sens de Turing) reste non calculable par ce procédé.


Champ
- Toute la physique
Un champ est simplement une grandeur physique prenant une valeur en tout point. Cette grandeur peut-être un simple nombre, auquel cas on parle de champ scalaire. Un exemple simple est le champ de température dans une pièce : en chaque point de la pièce il y a une température T donnée. Elle peut être un vecteur (une direction et une intensité), et on parle de champ vectoriel. Un exemple est le champ des vitesses du vent sur une carte météo. D'autre types de grandeurs géométriques sont utilisés, on parle de champ tensoriel, spinoriel...

En théorie quantique des champs, le champ a un état d'énergie minimale (comme souvent en mécanique quantique) et des états excités (simplement des états d'énergie plus grande). Ces états sont quantifiés. Les grandeurs physiques pertinente sont alors ces excitations quantifiées et non le champ de base lui-même issu généralement de la physique classique pour la construction de la théorie quantique.

Le manque d'explication dans la vulgarisation semble donner au champ une nature mystérieuse qu'il ne mérite pas. Son usage dans la science-fiction en est peut-être responsable. Mais la définition ci-dessus démystifie cette impression.

Champ électrique
- Electromagnétisme
Le champ électrique modélise l'action à distance d'une charge électrique q1 sur une autre charge électrique q2. La valeur du champ électrique E produit par q1 situé à distance R de la charge q1 est donné (à une constante près) par q1 divisé par le carré de la distance R. L'effet du champ sur la charge q2 est donné par le produit de cette charge par la valeur du champ électrique en ce point. Le résultat est la force agissant sur la charge. Le champ électrique a un caractère vectoriel (intensité et direction).

Champ électromagnétique
- Electromagnétisme
Le champ électromagnétique est la combinaison du champ électrique et du champ magnétique. Il a une nature tensorielle ou vectorielle selon sa formulation. Les champs électriques et magnétiques ne sont pas indépendants. Si un observateur mesure par exemple un champ électrique mais pas de champ magnétique, alors un autre observateur en mouvement par rapport au premier verra aussi un champ magnétique. Les règles de transformation d'un observateur à l'autre s'expriment simplement avec le champ électromagnétique et les règles issues de la relativité restreinte. La grandeur physiquement pertinente est le champ électromagnétique lui-même et pas les champs électriques et magnétiques seuls qui ne sont que des manifestations du champ électromagnétique, tout comme les côtés piles et faces sont des manifestations d'une pièce de monnaie.

Notons que les ondes électromagnétiques recouvrent un large spectre en fonction de la longueur d'onde : ondes radio, infrarouges, lumière visible, ultraviolets, rayons X, rayons gammas.

Champ magnétique
- Electromagnétisme
Le champ magnétique l'action à distance d'aimants ou de courants sur une charge électrique en mouvement. La formulation du champ magnétique est un peu plus compliquée que celle du champ électrique. Ceci est dû à son caractère dipolaire : tout aimant à deux pôles : un pôle nord et un pôle sud, et ils ne peuvent être séparés. La structure du champ magnétique est analogue à la structure d'un champ électrique produit par deux charges de même grandeur mais de signes opposés.

Charge
- Mécanique
Une charge est simplement une masse dans un dispositif mécanique et qui oppose un poids ou une résistance ou qui doit être déplacée par le dispositif (charge utile).
- Electromagnétisme
La charge électrique est une propriété (un nombre négatif ou positif) attribuée à la matière et qui se manifeste par des forces de répulsion entre charges de même signe et d'attraction entre charges de signes opposés. Les charges en mouvement forment un courant électrique. Les charges peuvent être produites par frottement (triboélectricité), par des réactions chimiques (piles, batteries) ou par des systèmes exploitant les propriétés électromagnétiques (dynamos, alternateurs).
- Physique des particules
Certaines particules sont dotées d'une charge électrique telle que l'électron (charge élémentaire négative) ou le proton (charge élémentaire positive). Lorsqu'il y a un déficit ou un excès d'électrons dans atome on obtient un ion chargé électriquement. Le courant électrique est généralement transporté (sauf exceptions) par les électrons.

La physique des particules a aussi introduit d'autres types de charges associées aux autres interactions : la charge faible (interaction faible), la charge forte ou couleur pour l'interaction forte ou nucléaire. Notons que la couleur en question n'a rien à voir avec la couleur habituelle résultat des propriétés des substances en lumière visible. Le nom a seulement été attribué par analogie avec un comportement analogue dans les combinaisons des charges fortes et les combinaisons des couleurs par exemple en peinture.

Constante
- La physique en général
Une constante est une grandeur dont la valeur ne varie pas au cours du temps. Certaines peuvent être spécifiques de certains phénomènes ou de certains objets ou substances. Exemple : la vitesse de la lumière dans le vide, la constante de Hubble, la permittivité du fer, etc.

Notons tout d'abord que toute mesure est une comparaison de deux grandeurs, sans exception. Ainsi, pour mesurer une longueur on dispose la longueur à mesurer à côté d'une règle étalon (un mètre ruban par exemple), on fait coïncider les deux et on compare. Il n'y a donc pas de sens à parler de la valeur d'une grandeur dans l'absolu, sans comparaison à une autre grandeur de même nature.

Ceci étant dit, il y a trois types de constantes :
- Grandeurs constantes par construction. Ca peut être une simple constante mathématique, par exemple le nombre pi ou le choix d'un étalon de mesure basé sur une constante. Par exemple, l'étalon du mètre est basé sur la vitesse de la lumière dans le vide. Ainsi, conformément à la remarque ci-dessus, on doit considérer que la vitesse de la lumière dans le vide est une constante absolue. Ceci dit, l'étalon du mètre pourrait avoir la mauvaise idée de varier au cours du temps et ça c'est le travail des laboratoires de recherche en métrologie (accrédités par le Bureau des Poids et Mesures) de le vérifier en comparant divers étalons créés à divers moments.
- Grandeurs supposées constantes. C'est alors une hypothèse mais confortée par l'expérience. Et en général les mesures expérimentales sont nombreuses et extrêmement précises, et c'est ce qui a poussé à considérer la grandeur comme constante. Comme exemples, citons la constante de structure fine ou la permittivité du fer.
- Les grandeurs appelées "constantes" mais.... qui ne le sont pas ! Ces cas sont heureusement rares. L'exemple emblématique est la constante de Hubble. Selon le principe cosmologique (univers homogène et isotrope, au moins pour l'univers visible) la constante de Hubble est identique en tout point. Cela est bien confirmé jusqu'à une assez grande distance. Toutefois, cela n'en fait pas une constante : elle varie au cours du temps. Cela est d'ailleurs modélisé en cosmologie (modèles d'univers) et constaté à très grande distance (car voir loin c'est voir le passé, la lumière mettant du temps pour arriver jusqu'à nous).

Certains travaux théoriques spéculatifs envisagent une variation des constantes du second type. En particulier sur des durées considérables (l'âge de l'univers). Des vérifications ont déjà eut lieu par exemple pour la constante de structure fine, sans trouver de variation. Et en tout état de cause de telles idées ne sont pas encore validées.

La vulgarisation explique rarement l'existence des trois catégories, ce qui peut entrainer des confusions si les propos dépendent de ces catégories. De plus l'expression commune de "variation des constantes" comme ci-dessus, entraine encore plus de confusion. Il faut donc être prudent dans l'interprétation de ce qui est dit.

Contraction des longueurs
- Relativité restreinte et générale
Considérons une règle rigide de longueur L telle que mesurée lorsqu'elle est au repos (immobile) dans le référentiel R de mesure. Alors dans un référentiel R' (pour un observateur) en mouvement, la mesure de la règle donne une longueur L' inférieure à L. Ce phénomène est appelé contraction des longueurs. Le phénomène est réciproque : un observateur immobile dans R observe aussi une contraction des longueurs (dans le sens du mouvement) des règles en mouvement (immobiles dans R').

Il arrive que la contraction des longueurs soit mal présentée dans la vulgarisation et que le lecteur ait l'impression que cela résulte d'effets mécaniques altérant la longueur d'une règle en mouvement. Si c'était le cas la contraction des longueurs ne serait pas réciproque (dans le référentiel en mouvement, par comparaison, on aurait l'impression que les règles dites immobiles sont plus grandes).

Ce phénomène n'est pas non plus une illusion ou un artefact des mesures car il a des effets concrets tels que la diminution de la section efficace des particules (traduisant le nombre de collisions que ces particules vont provoquer sur une cible, un effet on ne peut plus concret).

Il faut plutôt attribuer cet effet à la géométrie de l'espace-temps, analogue à la parallaxe si ce n'est que cette dernière ne concerne que la géométrie de l'espace seul.

Contrafactuel
- Logique, mécanique quantique
Un raisonnement contrafactuel consiste à considérer ce qui se produirait si on réalisait une expérience X donnée puis à utiliser ce résultat dans une expérience Y, même sans avoir réalisé l'expérience X.

Courants et utiles en physique classique, les raisonnements contrafactuels en mécanique quantique s'avèrent souvent erroné et peuvent conduire à de grosses erreurs dans les déductions.

Corde
Outre son sens courant :
- Théorie des cordes
Une corde est une ligne à une dimension dans un espace-temps quelconque, fermée (boucle) ou non (avec deux extrémités). Ces cordes sont l'équivalent des "points" sans dimension de la théorie quantique des champs. Une corde représente une particule. Les états de vibrations d'une corde sont naturellement quantifiés, chaque état de vibration correspondant à un type de particule (graviton, photon, etc.).

Il serait plus juste de parler des théories des cordes car on a une théorie différente pour chaque choix des groupes de jauge, des types de cordes (ouvertes ou fermées), du repliement des dimensions supplémentaires, des types de branes. La théorie unificatrice dite théorie M n'étant pas encore mature même si des progrès considérables ont été réalisés.

Corps noir
- Thermodynamique
Un corps noir est un corps idéalisé qui absorbe tout rayonnement électromagnétique et qui est à l'équilibre thermique (température constante et uniforme). On démontre facilement qu'un corps noir émet un rayonnement "universel" qui ne dépend que de sa température et non de sa composition.

Bien qu'idéalisé, de nombreuses substances sont de bon corps noirs au moins dans un certaine gamme de longueurs d'onde du rayonnement électromagnétique. Ainsi, le corps humain absorbe bien les infrarouges, et un morceau de métal chauffé au rouge ou la surface du Soleil sont de bons corps noirs dans le domaine du rayonnement visible.

Ces derniers exemples montrent que le terme de "noir" est assez trompeur. Les dénominations qui peuvent être trompeuses ne sont pas rares en physique, il faut être prudent.

Corpuscule
- Physique des matériaux
Un corpuscule est une petite fraction de matière, habituellement de taille microscopique.

On va jusqu'à parfois identifier les corpuscules aux objets les plus petits : les particules élémentaires comme par exemple les électrons. Le portrait de ces particules que l'on peut trouver dans la littérature (pas seulement dans la vulgarisation d'ailleurs) donne souvent l'impression qu'un électron peut être vu comme un corpuscule. Mais on sait qu'en mécanique quantique cette vision est au mieux une approximation. Cette vision corpusculaire ne facilite pas la compréhension vulgarisée de certaines propriétés des particules comme les interférences.

[Deedee81]

Courbure de l'espace-temps
- Relativité générale
La notion de courbure d'une ligne courbe ou d'une surface est assez intuitive dans la mesure où ces objets peuvent être visualisés mentalement assez facilement. Il devient plus difficile de se le représenter lorsque l'on parle d'objets à trois dimensions ou pire encore à quatre dimensions (l'espace-temps). On a alors besoin d'outils plus précis pour définir la courbure.

Il faut d'abord distinguer la courbure extrinsèque de la courbure intrinsèque. La première résulte de la déformation d'une forme dans un espace avec plus de dimensions, par exemple le repliement d'une feuille de papier pour former un tube : un cylindre. La deuxième décrit les écarts de la géométrie par rapport à la géométrie euclidienne (celle que l'on voit à l'école et qui s'applique à la vie de tous les jours). Par exemple la géométrie euclidienne dit que les trois angles au sommet d'un triangle ont une somme de 180 degrés. Pour décrire une géométrie différente, il faut d'abord généraliser la notion de "droite", ce qui s'obtient par la notion de géodésique qui est le chemin le plus court entre deux points.

Prenons deux exemples :
- Sur un cylindre vertical les géodésiques sont par exemple les lignes droites verticales et les cercles horizontaux autour du cylindre. La géométrie qui s'applique est toujours la géométrie euclidienne. Cela se voit très facilement en traçant sur la feuille plate un triangle rectangle et en repliant ensuite la feuille pour former le cylindre : le triangle se courbe mais sur la surface de la feuille il ne subit aucune déformation (le papier n'est ni étiré ni déchiré). La somme des angles reste 180 degrés. On dit que le cylindre a une courbure extrinsèque mais pas de courbure intrinsèque.
- Sur la sphère, les géodésiques sont les grands cercles comme l'équateur ou les méridiens. Si on trace un triangle (dit sphérique) avec une portion de l'équateur et deus méridiens séparés de 90 degrés de longitude on voit facilement que les trois sommets sont rectangles. La somme des angles fait donc 270 degrés. La sphère a une courbure extrinsèque et une courbure intrinsèque. On parle de géométrie sphérique.

Pour décrire la courbure intrinsèque on utilise un objet mathématique appelé tenseur de courbure. Cet objet permet de décrire finement les écarts à la géométrie euclidienne. La courbure nécessite ainsi en chaque point un certain nombre de coefficients indépendants. Pour une surface courbe (comme la sphère) il suffit de deux nombres (le rayon de courbure dans deux directions). Mais en réalité, pour la courbure intrinsèque, un seul suffit. L'autre n'étant nécessaire que pour décrire la courbure de la sphère dans l'espace ordinaire (la courbure extrinsèque). A trois dimensions il faut six coefficients et à quatre dimensions il en faut 20. On voit ainsi que de tels outils sont indispensables car on imagine la difficulté pour décrire un objet qui nécessite vingt nombre en chaque points pour le décrire.

La relativité générale n'est concernée que par la courbure intrinsèque. Alors que mentalement nous visualisons surtout la courbure extrinsèque. De plus, si on exige de pouvoir représenter l'objet courbé comme un objet courbe dans notre espace ordinaire, cela limite fortement les possibilités car la courbure intrinsèque est beaucoup plus riche. Un exemple simple est donné par la géométrie de la selle de cheval, où la courbure intrinsèque est négative. On parle de géométrie hyperbolique. Malheureusement cette forme n'est vraie que dans le creux de la selle de cheval, si on essaie d'avoir une surface plus grande avec une telle courbure négative en tout point, alors la surface finit par se recouper elle-même.

Il faut donc être très prudent avec les représentations vulgarisées de la courbure de l'espace-temps car l'usage d'image basées sur la courbure extrinsèque est limitée et même trompeuse.

Décohérence
- Mécanique quantique
Processus par lequel un système physique (microscopique ou non) interagit avec l'environnement (au sens large : appareil de mesure macroscopique, expérimentateur, l'air,...) et perd plus ou moins rapidement sa cohérence quantique.

Plus précisément, initialement le système peut être décrit par son incertitude statistique (ignorance de l'observateur) et son incertitude quantique (intrinsèque, elle peut être mise en évidence par exemple par des interférences). En interagissant avec l'environnement, le système se retrouve intriqué avec une myriade de particules. L'expérimentateur ne mesurant que le système (il lui est impossible de connaitre l'état quantique exact de l'environnement) constate que celui-ci finit par se comporter comme un pur mélange statistique. Cela conduit à deux phénomènes :
- l'apparition de bases d'états privilégiés pour l'état du système (généralement la base position pour un système macroscopique et la base énergie pour un système atomique).
- Un comportement classique (versus quantique).

La vitesse laquelle se produit la décohérence dépend de la taille du système. Pour un système macroscopique elle est si rapide qu'elle peut être considérée comme instantanée. Pour des systèmes microscopiques, la décohérence peut prendre des heures à quelques fractions de seconde selon les circonstances.

Il y a une confusion fréquente chez certains auteurs (et donc dans la vulgarisation) qui affirment que la décohérence explique le "problème de la mesure quantique". Mais en réalité, elle ne résout que la moitié du problème : l'existence de bases privilégiées. Elle ne résout pas le problème des états définis (le fait de mesurer l'état du système dans un état de base définit alors qu'il est dans un état de superposition quantique) car le comportement purement statistique n'est qu'apparent, dû à l'ignorance de l'état quantique de l'environnement. Pour le système complet (système étudié et environnement), la superposition quantique subsiste. Il reste donc nécessaire de faire intervenir une interprétation qui par ailleurs peut être en conflit avec la théorie de la décohérence (par exemple, l'interprétation de Copenhague présuppose l'existence de bases privilégiées qui pourraient être différentes de celles de la décohérence en as de mauvais choix).

Dilatation du temps
- Relativité restreinte et générale
Considérons une horloge H supposée idéale au repos (immobile) dans le référentiel R de mesure. Considérons une Horloge H' en mouvement dans R, mais immobile dans le référentiel R'. Alors dans R' (pour un observateur) en mouvement, la comparaison du rythme de H et H' montre que H va plus lentement. Ce phénomène est appelé dilatation du temps. Le phénomène est réciproque : un observateur immobile dans R constate aussi une dilatation du temps, H' allant plus lentement que H.

Il arrive que la dilatation du temps soit mal présentée dans la vulgarisation et que le lecteur ait l'impression que cela résulte d'effets absolus lié mouvement. Si c'était le cas la dilatation du temps ne serait pas réciproque (dans le référentiel en mouvement, par comparaison, on aurait l'impression que l'horloge H a un rythme plus grand).

Ce phénomène n'est pas non plus une illusion ou un artefact des mesures car il a des effets concrets tels que la durée de vie des particules éphémères observées dans les grands accélérateurs ou pour les muons atmosphériques (créés dans la haute atmosphère par les rayons cosmiques).

Il faut plutôt attribuer cet effet à la géométrie de l'espace-temps, analogue à la parallaxe si ce n'est que cette dernière ne concerne que la géométrie de l'espace seul.

Dimension
- Sens courant, parfois rencontré en physique
On appelle dimension d'un objet sa taille, sa longueur, sa largeur,...
- Métrologie et par extensions toute la physique
Pour définir et mesurer les grandeurs physiques on est amené à choisir un certain nombres de grandeurs indépendantes. Dans le Système International, c'est la distance, la masse, le temps et l'intensité du courant électrique. A ces quatre dimensions sont attribuées quatre étalons définissant quatre unités de base : le mètre, le kilogramme, la seconde et l'ampère (d'où l'appellation parfois de système MKSA). Les autres unités sont dites dérivées (de ces quatre unités fondamentales).

C'est sous cette signification que l'on a l'expression "analyse dimensionnelle".
- Espaces vectoriels. Utilisés dans tous les domaines de la physique
Voir le terme de "base". Les dimensions sont celles de l'espace vectoriel. On modélise fréquemment divers espaces de travails ou de modélisation par de tels vectoriels. Il en est de même de l'espace ordinaire et de l'espace-temps. Ainsi, l'espace ordinaire est à trois dimensions : gauche-droite, avant-arrière, haut-bas. L'espace-temps ayant en plus la durée est à quatre dimensions.

On rencontre aussi d'autres cas comme la théorie des cordes ou l'espace-temps peut avoir 26 ou 11 dimensions.
- Dimension de Hausdorff
Terminologie mathématique rigoureuse mais qu'on pourrait traduire assez simplement. Soit un objet quelconque constitué de petits domaines. Disons qu'on rencontre N domaines dans une région de taille L. Doublons L. Si le nombre de domaines est 2N alors l'objet est à une dimension (par exemple une droite, la longueur dans la région considérée étant L, elle double si L double). Si on a 2²N, alors l'objet est à deux dimensions (par exemple la surface d'un carré de taille L est L²). Si on a 2³N, alors l'objet est à trois dimensions (le volume d'un cube de taille L est L³). Et ainsi de suite.

C'est un outil pratique pour définir les dimensions d'objets exotiques comme les fractales dont la dimension de Hausdorff peut même être non entière.

Le mot "dimension" se rencontre partout y compris en vulgarisation. Il n'y est pourtant presque jamais défini explicitement. Pourtant, on voit qu'il peut avoir plusieurs significations. De plus, on le rencontre en science fiction (dimensions parallèles). Les confusions peuvent être fréquentes surtout quand on parle de dimensions supplémentaires (comme en théorie des cordes).

Energie
- Toute la physique
L'énergie est une propriété attribuée aux systèmes physiques, combinaisons d'autres grandeurs comme la masse et la vitesse par exemple (l'énergie cinétique, c'est-à-dire l'énergie de mouvement, en physique classique vaut la masse fois le carré de la vitesse divisé par deux). Elle a été initialement choisie pour son utilité en physique à partir de la notion de travail d'une force (le travail fournit par une force est donné par cette force fois le déplacement de son point d'application).

Ce concept fut rapidement étendu et l'énergie prend toutes sortes de formes : énergie cinétique, énergie potentielle, énergie thermique, énergie électrique, énergie nucléaire, etc...

Cette grandeur est conservée, c'est-à-dire que l'énergie totale d'un système isolé est constante. Ce constat résulte de l'expérience, dans tous les domaines et avec une précision extrême, mais est aussi une conséquence de sa définition et les physiciens qui apprécient les valeurs conservées pour leur utilité pratique ont toujours veiller à définir les formes d'énergie de manière à ce qu'elle soit explicitement conservée. De manière plus moderne, l'énergie et sa conservation dérive de considérations liées aux symétries (l'invariance par translation dans le temps qui manifeste le choix purement arbitraire de la coordonnée du temps : en somme on règle sa montre comme on veut). C'est aussi pour cela que ce concept peut perdre son sens ou sa conservation en relativité générale ou l'espace-temps n'est pas arbitraire mais est une grandeur dynamique comme les autres.

La vulgarisation ne précise pas toujours ce qu'est l'énergie et pourquoi on est si sûr de sa conservation ce qui eût laisser planer un doute qui n'a pas lieu d'être. On a même parfois l'impression que l'énergie serait une espèce de fluide (ce qu'accentue sans doute aussi la science-fiction et son "énergie pure") alors que la définition ci-dessus montre clairement qu'une telle idée est un non-sens.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Deedee81]

Energie du vide
- Théorie quantique des champs
Le principe d'indétermination de Heisenberg en mécanique quantique implique que certaines grandeurs ne peuvent être connues avec une précision arbitraire ensembles. Il en est ainsi par exemple de la position et de la vitesse. Cela implique en particulier que ces grandeurs ne peuvent s'annuler ensemble. Une autre conséquence est que les systèmes quantiques ont un état d'énergie minimale qui et non nul.

Les champs sont des grandeurs définies en tout point. Et, une fois quantifié, en chaque point on retrouve le phénomène précédent. (le champ se comporte en fait comme une infinité d'oscillateurs, un en chaque point). Et on a ainsi une énergie non nulle en chaque point. La somme de toutes ces énergies est donc infinie, même pour l'état d'énergie minimale (qualifié de vide quantique et noté |0> car dans cet état, l'opérateur donnant le nombre de particules donné zéro). Notons en passant que les particules sont vues comme des excitations quantifiées des champs.

L'infini n'est jamais facile dans les développements mathématiques car il rend impossible nombre de manipulations mathématiques. On résout cette difficulté par une astuce mathématique (qui revient en quelque sorte à "soustraire l'énergie du vide") et donne ainsi un résulat 0 au lieu de l'infini. Cette méthode s'appelle "ordre normal" et permet ainsi de mener des calculs ayant un sens.

Le principe d'indétermination autorisant une incertitude sur l'énergie autorise également la fluctuation des champs et donc la fluctuation du nombre de particules. Ainsi, des particules peuvent être créés ou détruites dans divers processus (avec le respect de certaines lois de conservation comme celle de la charge électrique). Mais il faut ainsi distinguer trois situations :
- Les particules présentes au début ou à la fin d'un processus donné (par exemple expérimental) et qualifiées de réelles (elles ne sont pas à priori plus réelles que les autres mais c'est ainsi qu'on les nomme).
- Les particules créées puis détruites par interaction avec d'autres particules. On les qualifie de particules virtuelles. Par exemple, deux électrons échangeant un photon (interaction électromagnétique).
- Les particules créés et détruites dans le vide. Elles sont aussi appelées particules virtuelles. Pour les distinguer, ici, nous les appellerons "fluctuations vide-vide". Ce sont ces fluctuations qui interviennent dans la valeur infinie signalée ci-dessus.

Deux points notables doivent être indiqués :
- Dans tous les processus om l'on mène un calcul (par exemple pour calculer la diffusion de photons par des électrons), on constate que les fluctuations vide-vide n'interviennent pas. Dans la méthode de calcul perturbatif on dit que les diagrammes vide-vide se factorisent et s'éliminent.
- Dans certains circonstances, une simple coïncidence calculatoire fait que les fluctuations vide-vide donnent le même résultat que les particules virtuelles.

Un exemple mémorable est l'effet Casimir où l'on constate une attraction entre plaque conductrices neutres. L'effet est lié à la variation de l'énergie du vide avec la distance entre les plaques. En réalité, ce sont les photons virtuels échangés qui varient (les longueurs d'onde possibles sont limitées par la distance entre les plaques). Mais le calcul avec les fluctuations du vide donne le même résultat.

On a une situation analogue avec d'autres effets attribués aux fluctuations du vides tels que l'effet Lamb ou le rayonnement de Hawking des trous noirs.

Notons que l'énergie qui pourrait ainsi être ainsi récupérée reste une quantité conservée. Par exemple, dans l'effet Casimir, lors d'un cycle (éloignement - rapprochement des plaques), l'énergie variant avec la position des plaques, le bilan final est nul.

Dans la vulgarisation, le statut du vide quantique est souvent mal défini et mal présenté. Et on parle de l'effet du vide quantique sans les précautions précédentes. Cela donne la fausse impression d'un vide pas vide et bouillonnant et influençant les processus physiques.

En réalité, l'état |0> correspond strictement à 0 particules, il a une énergie minimale, il est invariant par translation dans l'espace et le temps et même sous les transformations de Lorentz. Il n'y a donc rien de plus calme et homogène que ça ! Les explications précédentes montrent que ce concept de vide bouillonnant est erroné ainsi que "l'effet des fluctuations du vide" abusif ou trompeur.

Le vide quantique reste un concept difficile à saisir mais il n'est tout de même pas aussi mystérieux ou fantastique que le laisse entendre la vulgarisation.

Notons que tout n'est pas compris pour autant. Ainsi, le lien avec la gravitation est assez mal compris (car on n'a pas de théorie validée de la gravitation quantique). Cette énergie du vide devrait avoir des effets gravitationnels mais cela donne des résultats absurdes (constante cosmologique colossale et irréaliste). Il y a donc bien encore des choses à comprendre, mais on dépasse là le cadre de la théorie quantique des champs puisqu'une théorie de la gravitation quantique reste à établir et, surtout, à valider expérimentalement (des théories "candidates" on en a déjà des tas comme la théorie des cordes, la gravitation quantique à boucles et bien d'autres).

[Deedee81]

Energie noire
- Cosmologie
Les supernovae de type Ia ont la particularité d'avoir une courbe de luminosité bien définies. La durée de la courbe de luminosité est directement reliée a son intensité. En mesurant la durée de cette luminosité on peut donc en déduire la luminosité de la supernovae. Et comme on observe une luminosité apparente (d'autant plus faible que la supernovae est lointaine), on peut en déduire leur distance avec une très bonne précision.

Ces supernovae sont rares. Mais vu le nombre extrêmement grands des galaxies et les instruments modernes qui peuvent observer une large portion du ciel d'un seul coup avec des mesures informatisées et automatisées, on a ainsi pu observer suffisamment de ces supernovae. La comparaison au décalage vers le rouge a ainsi permit de mettre en évidence une accélération de l'expansion de l'univers.

Depuis, diverses confirmations indépendantes ont été réalisées en utilisant d'autres effets.

La cause de cette accélération, non prévue normalement par les modèles d'univers utilisant la relativité générale, n'est pas connue. Mais il est par contre possible d'en tenir compte en utilisant la forme la plus générale de l'équation d'Einstein incluant une "constante cosmologique". Cette constante ayant les dimensions d'une énergie, la cause inconnue est souvent appelée "énergie" noire, bien qu'on ignore en réalité si c'est bien une énergie ou "quelque chose" ayant beaucoup d'énergie.

Le nom étant un peu mal choisi, il n'est pas rare de voir des passionnés se tromper et croire que "la science pense vraiment qu'il s'agit d'une forme d'énergie". A leur décharge la vulgarisation est trompeuse car elle le laisse souvent croire et, de plus, présente souvent l'une des nombreuses hypothèses comme si c'était une certitude (ou peu s'en faut). Certains pensent aussi qu'on "manque d'idées", alors que les idées il y en a déjà pléthore : ce sont des observations précises qui sont nécessaires afin de trancher parmi toutes ces idées.

Entropie
- Thermodynamique
L'entropie est une grandeur qui caractérise l'état d'un système. Elle caractérise le caractère irréversible de certaines transformations. Ainsi, en l'absence d'échange de travail, la chaleur se dirige toujours d'un corps chaud vers un corps froid. On montre alors (Clausius) qu'on peut caractériser cela par une grandeur, l'entropie, telle que la variation d'entropie fois la température absolue du corps est égal à la quantité de chaleur échangée.
- Physique Statistique
Soit une substance donnée. On peut la décrire de deux manières :
- Par ses propriétés macroscopiques telles que masse, volume, pression, température,....
- Par ses propriétés microscopiques : position et vitesse de chacune des particules qui le composent. La physique statistique décrit les propriétés macroscopique à partir des propriétés microscopiques. Pour un état macroscopique donné (pression donnée, température donnée) il peut y avoir un grand nombre d'états microscopiques possibles. L'entropie se définit par k fois le logarithme du nombre d'états microscopiques où k est la constante de Boltzmann. On montre l'équivalence des notions thermodynamique et statistiques de l'entropie. Le caractère irréversible étant ici lié au fait que plus le nombre d'états microscopiques est grand plus le système a de chance de se trouver dans un de ces états. Les nombres gigantesques d'états (pour un objet macroscopique) garantissent le caractère irréversible.

L'entropie de Shannon, ou entropie de l'information (concept utilisé en particulier en informatique ou en théorie des lignes) peut aussi être reliée à l'entropie statistique. Il existe de même une notion d'entropie reliée à la décohérence quantique.

La vulgarisation donne rarement une définition claire et précise de l'entropie. Pire, elle est souvent présentée comme une équivalence du "désordre". Or cette identification est terriblement trompeuse car la notion commune de désordre peut être fort différente de l'entropie. Cela peut devenir particulièrement confus lorsque l'on aborde des domaines un peu pointus (tels que le paradoxe de l'information des trous noirs ou la flèche du temps).

Espace
- Physique en général
Le terme espace a deux définitions
- L'espace ordinaire. C'est l'espace qui nous entoure et caractérisé par ses points (les lieux), ses trois dimensions (haut-bas, gauche-droite, avant-arrière. On peut aussi utiliser d'autres repères avec par exemple longitude, latitude, altitude).
- Les espaces mathématiques sont simplement des ensemble d'éléments (par exemple des nombres, des vecteurs ou tout autre objet mathématique) avec des propriétés particulières (par exemple une notion de distance, une définition de sommes ou produits des éléments,...).

Outre l'usage mathématique utilisé en physique, on retrouve des espaces particuliers tels que l'espace de configuration (c'est l'ensemble des configurations que peut prendre un système), l'espace des phases (ensemble des configurations et des vitesses de tout élément du système). L'espace ordinaire est cas particulier qui peut être modélisé de différentes manières selon les cadres théoriques. Par exemple en physique classique ou en relativité restreinte ou en mécanique quantique, il est modélisé par un espace vectoriel.
- Astronautique, astronomie, astrophysique
Zone de l'univers hors de la Terre et de son atmosphère. On parle aussi d'espace interplanétaire (entre les planètes de notre système solaire), d'espace intersidéral (entre les étoiles de notre galaxie) et d'espace intergalactique (entre les galaxies).

Espace-temps
- Relativité restreinte et générale
L'espace-temps est l'ensemble regroupant tous les événements, c'est-à-dire tout ce qui se passe ou peut se passer en un point particulier à un instant donné.

L'espace-temps et modélisé de différentes manières (espace vectoriel en relativité restreinte, espace de Riemann en relativité générale), mais dans tous les cas on le dote de systèmes de coordonnées permettant d'affecter une "étiquette" à chaque événement : ses coordonnées spatiales (par exemple x, y, z) et l'instant (t).

En relativité restreinte, l'espace-temps est sans courbure mais doté d'une géométrie particulière décrite par la géométrie de Minkowski (on dit aussi espace ou espace-temps de Minkowski). En relativité générale, il est modélisé par un espace de Riemann (ou variété riemannienne) doté d'une courbure en tout point.

La définition de l'espace-temps est donc assez banale (même si sa modélisation peut être complexe) ce que ne reflète pas toujours la vulgarisation.

Ainsi, en relativité restreinte, l'espace-temps est un cadre, une scène de théâtre, où prennent place les événements.

Tandis qu'en relativité générale, l'espace-temps est une entité dynamique comme le reste (comme la matière). On dit parfois qu'il n'y a pas de scène de théâtre prédéfinie (l'espace-temps est lié à son contenu). On parle aussi "d'indépendance à l'arrière-plan" (et techniquement on dit que la relativité est invariante par difféomorphisme). On dit aussi parfois que la relativité générale est relationnelle (tout se passe comme si tout ce qui existait sont les relations dynamiques entre objets).

La vulgarisation ne précisant pas clairement ces aspects peut donner l'impression que l'espace-temps de la relativité générale a un statut physique semblable à celui de la relativité restreinte. C'est amplifié par le fait que le statut physique de l'espace-temps en relativité générale est assez difficile à saisir. Cela peut conduire à de regrettables confusions.

Etat
- Toute la physique
Dans toute la physique, état (d'un système physique), garde son sens courant. L'état d'un système physique est l'ensemble des caractéristiques permettant de le décrire de manière exhaustive. Par exemple sa position, sa vitesse, sa structure...
- Mécanique quantique
En mécanique quantique, l'état est modélisé par un vecteur d'un espace vectoriel particulier appelé espace de Hilbert. Le nombre de dimensions de cet espace dépend du système et peut être éventuellement infini. Dans les notations de Dirac, un tel état est noté comme |p> où p est juste un nom attribué à l'état.

Cela implique certaines propriétés inhabituelles (pour nous qui sommes habitués à la physique classique décrivant notre quotidien). Par exemple le principe de superposition : si |a> et |b> sont deux état d'un système, alors |a>+|b> est aussi un état possible (somme de vecteurs). Si l'état |a> signifie que la particule est à la position x, et |b> la particule en y, alors |a>+|b> est un état où la particule est à la fois en x et y. Une propriété d'ubiquité peu intuitive.

La mécanique quantique fournit des règles pour la mesure : la probabilité de mesurer la particule en x ou y. Mais l'expérience (les interférences par exemple) montre que ce n'est pas une question d'ignorance (de la position), l'état superposé est bien réel avec une indétermination intrinsèque de la position.

Beaucoup peut être dit à partir vecteurs, pas si difficiles à comprendre, y compris des propriétés très étranges comme l'intrication, mais la vulgarisation fait souvent l'impasse sur le détail des explications. Mais cela ne l'empêche pas d'utilises les états et leurs propriétés, même implicitement, ce qui peut conduire à des incompréhensions ou de mauvaises interprétations des propos.

[Deedee81]

Ether
- Physique en général
Au dix-neuvième siècle, les propriétés ondulatoires de la lumière furent indubitablement confirmées. A l'époque, les seules ondes connues (sons, cordes, vagues) étaient de type "vibrations mécaniques". Ils imaginèrent donc que la lumière était une vibration d'un milieu hypothétique appelé "éther luminifère".

L'éther avec ainsi des propriétés étranges. Par exemple, puisque la lumière se propage dans le vide, celui-ci devait être remplit d'éther. Or cet éther semble impondérable, inaltérable, les planètes se propagent dedans depuis des milliards d'années sans jamais ralentir,.... Et pourtant, la lumière se propageant très vite (300000 kilomètres par seconde), la mécanique montre que l'éther doit être un solide (vibrations dites transversales) d'une rigidité extrême, bien supérieure au diamant ! Mais étranges ne veut pas dire impossible. Les physiciens réalisèrent donc diverses expériences pour déterminer les propriétés de l'éther (par exemple, l'étude de la vitesse de la lumière dans différents milieux transparents en mouvement). L'accumulation des résultats mena à une situation étrange : les propriétés de l'éther étaient contradictoires. Il fut ainsi dépouillé de toutes propriétés physiques jusqu'à ce que sa définition finale devienne : milieu par rapport auquel on définit la vitesse de la lumière (la lumière se propageant à la vitesse indiquée dans un éther au repos).

Mais la naissance de la relativité rendit caduque un tel milieu puisque la relativité affirme (et on le vérifie) que la lumière se propage à la même vitesse dans tout système de référence, quel qu'il soit. Mais un tel milieu pouvait encore a priori être la source des "vibrations lumineuses". L'électrodynamique quantique, théorie (sans doute la mieux validée par l'expérience de tous les temps) quantique de l'électromagnétisme et de l'électron, a conduit à une description des ondes électromagnétiques en termes de photons (excitations quantifiées du champ électromagnétique). Il n'y a donc pas de vibrations mécaniques d'un quelconque milieu. L'éther tel que définit devient inexistant ou au mieux non détectable sous quelque forme que ce soit (ce qui en science est équivalent à non existant puisque toute théorie doit pouvoir être vérifiée et éventuellement réfutée par une expérience).

Historiquement, le terme a été profondément galvaudé, on a donné le nom d'éther à des dizaines de choses différentes (champ électromagnétique, champ gravitationnel, vide quantique, etc....). Il a parfois aussi utilisé par certains (souvent par des auteurs peu sérieux mais aussi parfois par des scientifiques) "parce que ça fait bien". A tel point que lorsque quelqu'un dit "éther" on ne sait pas dire de quoi il parle !!!! Il faut donc l'éviter puisque l'éther luminifère a été invalidé et pour le reste.... autant utiliser les bonnes expressions (champ électromagnétique, champ gravitationnel, vide quantique, etc....).

Malheureusement la vulgarisation est rarement prudente et elle se fait parfois l'écho de ces usages inappropriés. Sans compter l'habituel manque d'explications avec le même résultat : de quel éther parle-t-on ? Donc prudence si vous voyez/entendez ce mot dans la vulgarisation. Si c'est pour l'usage historique (description de son usage au dix-neuvième siècle) ça va, au-delà il vaut mieux fermer et passer à autre chose.

Expansion de l'univers
- Cosmologie
Phénomène où l'on constate que les galaxies s'éloignent les unes des autres au cours du temps. La vitesse dite de récession (d'expansion) est proportionnelle à la distance entre les galaxies, la constante de proportionnalité est appelée constante de Hubble et notée H. Ainsi, si D est la distance entre galaxie, leur vitesse d'éloignement est donnée par V=H*D.

Cela ne s'applique pas aux galaxies proches (au sein d'un amas ou d'un superamas) car alors elles sont liées par la gravitation. Ainsi, notre galaxie voisine Andromède se dirige vers nous.

L'expansion a pu être mesurée par plusieurs mesures indépendantes de la vitesse récession en fonction de la distance (effet Doppler, chandelles cosmiques dont les supernovae Ia, rayonnement fossile, formation des grandes structures,...). L'effet ne fait absolument aucun doute. Cela a permis de réfuter d'autres idées (comme la lumière fatiguée) qui tentaient d'expliquer autrement le décalage vers le rouge observé (l'effet Doppler).

L'expansion conduit immédiatement à la conclusion que par le passé, les galaxies étaient plus proches. En remontant suffisamment loin (plus de 13 milliards d'années) cela conduit à une origine dense et chaude de l'univers (le big bang), ce qui a également pu être confirmé par des mesures indépendantes (rayonnement fossile, nucléosynthèse, évolution des galaxies et grandes structures, âge des étoiles).
/
La structure globale de l'univers peut être modélisée par la relativité générale qui implique en effet qu'un univers statiques ne peut exister (il est instable) : il ne peut qu'être en expansion (ou en contraction !)

La vulgarisation utilise diverses images pour décrire ou visualiser l'expansion, comme "l'univers bulle" (voir les analogies). Elles peuvent être trompeuses et donner l'impression que 'expansion de produit à partir d'un "centre" : éloignement des galaxies de ce centre (un peu comme une explosion, ce que le nom de "big bang" laisse aussi malheureusement entendre). Mais c'est faux, la proportionnalité de la relation de Hubble implique que l'on a la même situation en tout point. La relation V=H*D est valable quel que soit le point choisi. C'est aussi la conséquence du principe cosmologique : l'univers en moyenne le même partout et ne possède donc pas de point particulier comme un centre ou une frontière. Notons que ce concept peut être difficulté à saisir (dans notre quotidien, tout objet à un centre et une frontière). Les mathématiques permettent aisément de décrire de tels univers (variétés sans bord). Mais cela n'aide pas nécessairement le passionné. C'est là que les analogies peuvent aider à condition qu'e les soient bien comprises et donc bien expliquées (ce qui n'est pas toujours le cas).

Fermion
- En physique des particules
Particules avec un spin demi-entier et ayant un comportement collectif décrit par la statistique de Fermi-Dirac. Elle conduit au principe d'exclusion de Pauli : deux fermions identiques ne peuvent être dans le même état quantique. Cela dicte la répartition des électrons autour de l'atome et explique les propriétés chimiques.

Parmi les fermions on retrouve les électrons, protons, neutrons,... On qualifie aussi de fermions des atomes ou des noyaux d'atomes ayant un spin demi-entier.

[Deedee81]

Flèche du temps
- Thermodynamique, physique statistique
Lorsque l'on prend les événements, on constate qu'on peut les étiqueter par des coordonnées d'espace (x, y, z) et de temps indiquant le lieu et l'instant de l'événement. On constate aussi que certains événements sont la causes d'autres événements. Cela permet de les classer selon un ordre temporel t1, t2, t3,.... C'est le principe de causalité qui dit que les causes se produisent avant les effets.

On distingue facilement l'existence d'un passé différent du futur, nul besoin de physique pour ça ! Et c'est la distinction passé futur qui nous permet d'attribuer un sens (cause - effet) à la causalité qui traduit en réalité un simple lien causal entre deux phénomènes.

La physique fondamentale est totalement réversible (à l'exception notable de certaines désintégrations de particules exotiques sous l'interaction faible), c'est-à-dire que si F(t) décrit une solution en fonction du temps alors F(-t) est aussi une symétrie. On dit que la physique (les équations) est symétrique par renversement du temps. Cela ne signifie pas qu'on peut voyager dans le temps mais que si l'on a une solution, la solution "dans l'autre sens" est aussi possible. Par exemple si on jette une pierre, elle suit une trajectoire parabolique. Et si la pierre est jetée dans l'autre sens de puis son point de chute, elle parcourt exactement la même trajectoire mais dans l'autre sens.

Toute la physique découle des théories fondamentales et donc toute la physique devrait être symétrique par renversement du temps. D'où vient la distinction passé - futur ? Cela est clairement relié au caractère irréversible de certaines transformations. Par exemple si on laisse tomber un verre, celui-ci se brise en centaines d'éclats mais on ne voir jamais le phénomène inverse (un rassemblement spontané des morceaux pour reconstituer un verre intact). Notons d'ailleurs que la décohérence quantique entre également dans la catégorie des phénomènes irréversibles.

Le caractère irréversible est dû au caractère statistique et à l'entropie. Les états macroscopiques évoluent spontanément d'une situation où il y a peu d'états microscopiques correspondant vers une situation où il y en a beaucoup, par le simple jeu du hasard (et des nombres colossaux d'états microscopiques). C'est-à-dire qu'ils évoluent spontanément des états de faible entropie vers une grande entropie (second principe de la thermodynamique).

Ce caractère irréversible influence en fait à peu près tout système macroscopique, y compris par exemple notre mémoire (on se souvient du passé pas du futur). Et c'est simplement la mise en correspondance des phénomènes irréversibles et du reste, y compris nous, qui nous fait qualifier les valeurs t < 0 (le signe étant arbitraire et conventionnel) de passé et t > 0 de futur.

Il y a donc une forte distinction entre temps proprement dit et flèche du temps. La vulgarisation fait souvent mal la distinction entre les deux et cela rend plus confus la notion du temps proprement dite qui doit être dinstinguée de la flèche du temps.

Fonction d'onde
- Mécanique quantique
Soit une particule, la fonction d'onde F(x) de la particule donne l'amplitude quantique (un nombre complexe) associée à chaque position x, c'est-à-dire l'amplitude quantique que la particule soit à cette position. La probabilité de trouver la particule en x lors d'une mesure est donnée par le carré du module de F : |F|². Elle se généralise à plusieurs particules, par exemple deux, comme une fonction de deux positions F(x1,x2) (qui n'est généralement pas le produit de deux fonctions d'onde à une particule, ce qui conduit à des situations particulières comme l'intrication). Elle s'exprime en général avec position mais se formule parfois aussi dans une autre base comme l'impulsion ou l'énergie.

Notons que le photon n'a pas de fonction d'onde car la possibilité de créer ou détruire aisément des photons nécessite d'utiliser la théorie quantique des champs et donc des états à nombre variables de particules. De plus, le photon est intrinsèquement relativiste (il se déplace à la vitesse limite de la relativité) et on montre qu'il ne peut alors y avoir de base position pour le photon (un photon ne peut pas être strictement localisé).

Force
- Presque toute la physique
Une force traduit l'action sur un objet physique due à une interaction quelconque. Par exemple le poids (force gravitationnelle) ou les forces de contact (comme lorsqu'on pousse sur un objet). Une force peut se modélise par un vecteur dont la grandeur est l'intensité de la force et la direction la direction de la force, ainsi que son point d'application (ce sur quoi elle agit). La loi de la dynamique de Newton dit que si la somme de toutes les forces agissant sur un corps de masse m est F, alors on a F = m*a où a est l'accélération subie par ce corps.

On peut mesurer les forces avec divers instruments : dynamomètre, pèse-personne, jauge de contrainte,...

La force est un concept qui modélise le résultat d'une interaction. Et de fait, on peut s'en passer ! Ainsi la mécanique analytique est une formulation de la mécanique ne faisant pas appel aux forces. De même, si l'action de la gravité peut se représenter par une force en physique newtonienne (l'attraction universelle), ce n'est plus le cas de la relativité générale où l'action de la gravité est plus complexe et modélisé par la courbure de l'espace-temps. Enfin, les théories quantiques font peu ou pas appel au concept de force.

Forme de l'univers
- Cosmologie
La notion de forme d'un objet est quelque chose dont nous avons l'habitude, mais l'univers est décrit par un espace-temps (en relativité générale) pour lequel il n'est généralement pas possible de séparer l'espace et le temps, en tout cas pas de manière systématique et unique, à cause de la courbure de l'espace-temps. Si l'on admet le principe cosmologique qui dit que l'univers et en moyenne identique partout (ce qui est bien vérifié par l'observation au moins pour l'univers visible) alors il est possible de définir un temps cosmologique T identique partout et on peut considérer l'espace seul pour un temps T donné. La forme de ce volume spatial peut alors être envisagée. Tout d'abord l'univers pourrait être infini (auquel cas il doit toujours l'avoir été, même au tout début et même si à cette époque il était beaucoup plus dense et chaud), mais il pourrait être fini (l'espace pourrait être triangulé avec un nombre éventuellement considérable mais fini de tétraèdre).

Quelle forme a-t-il ? Nous l'ignorons, mais on peut au moins répertorier les possibilités. Puisque univers signifie "tout" et au vu du principe cosmologique accepté, on ne peut considérer des variétés avec bord (frontière), mais les mathématiques nous offrent une infinie variété de possibilités, par exemple si on considère une sphère alors la surface est une variété à deux dimensions et sans bord (si on trace une trajectoire sur la sphère on finit par faire le tour) et on peut parfaitement envisager une telle variété à trois dimensions.

Un exemple simple est donné par les jeux vidéo où certaines aires de jeu sont finies mais sans bord : quand on continue tout droit on se retrouve à son point de départ. L'observation semble indiquer que l'espace est globalement plat (l'espace seul, pas l'espace-temps) et on peut parfaitement envisager un tel univers "plat" (sans courbure) fini et à trois dimensions L'observation a montré que, si c'est le cas, alors la taille caractéristique de cet univers est supérieure à la taille de l'univers observable. Nous ne sommes donc pas en mesure de trancher. De plus, la relativité générale permet de trouver la géométrie de l'univers mais à une géométrie donnée peut correspondre une infinité de telles formes (la branche des mathématiques qui s'en occupe est la topologie différentielle).

Attention à la vulgarisation qui est confrontée aux difficultés habituelles de visualiser ce genre de chose et qui ne précise pas toujours le caractère spéculatif de ce sujet ou bien des inconnues subsistent.

Groupe
- La physique en général
La notion de groupe est mathématique mais intervient partout en physique, en particulier pour décrire les symétries. Ils sont abondamment utilisés en physique des particules.

Un groupe est un ensemble d'éléments pour lesquels on définit une opération (qu'on nomme addition ou produit) pour toute paire d'éléments avec un élément neutre, un inverse, l'associativité et éventuellement la commutativité. Prenons un exemple simple avec deux éléments a et e (le neutre ou identité) tel que e*e=e, a*e=e*a=a et a*a=e. On vérifie que la multiplication est associative est que a est son propre inverse (si l'on avait a*a=a, alors a n'aurait pas d'inverse et {a,e,*} ne constituerait pas un groupe).

On classe les groupes en catégories tels que les groupes finis, groupes géométriques, groupes de Lie, etc...

La vulgarisation les cite parfois sans préciser ce que c'est et c'est dommage car le mot "groupe" a un sens dans la vie courante qui est totalement différent !

Hadron
- Physique des particules
On appelle hadron les particules qui sont sensibles à l'interaction forte (interaction nucléaire). Tel que les mésons et les baryons (comme les nucléons : protons et neutrons).

Hamiltonien
- Mécanique analytique, physique quantique
L'hamiltonien est une fonction des variables décrivant l'état du système (positions, vitesses,...) et qui correspond à l'énergie du système. En mécanique quantique c'est aussi le générateur des translations dans le temps. L'hamiltonien intervient dans les équations du mouvement et suffit à décrire le système.

Omniprésent en physique, il est parfois cité en vulgarisation mais y est rarement définit.

[Deedee81]

Horizon des événements
- Relativité, cosmologie
Zone (surface géométrique) au-delà de laquelle aucune information (ni matière, ni énergie) ne peut parvenir à un observateur donné.

Il faut distinguer les horizons absolus comme l'horizon des événements d'un trou noir (vu comme sa frontière) qui vaut pour tout observateur extérieur au trou noir et les horizons relatifs qui ne valent que pour un observateur (horizon de Rindler pour un observateur accéléré et horizon cosmologique dû au fait que la lumière émise au-delà n'a pas encore eut le temps de nous parvenir depuis la naissance de l'univers).

La vulgarisation présente mal la notion d'horizon d'un trou noir et peut parfois donner l'impression qu'il s'agit d'une barrière matérielle comme peut l'être la surface d'un corps alors qu'en réalité il s'agit d'un simple lieu géométrique dû à la géométrie de l'espace-temps et sa courbure élevée près d'un trou noir, le lieu où toutes les trajectoires possibles (géodésiques de type temps) sont dirigée vers le trou noir. Un observateur qui plongerait dans un trou noir franchirait cette frontière sans même s'en rendre compte.

Interactions
- Toute la physique
Sens proche du langage courant.

Action d'un objet physique sur un autre. Cela peut modifier l'état de l'autre (son mouvement ou sa structure interne) ou non, mais même dans ce cas, la situation de l'autre a changé (le temps que dure l'interaction) car si on agit dessus la réaction peut être différente ce qu'on traduit par exemple par l'énergie potentielle de l'objet. Exemple : une voiture percute une poubelle, il y a interaction entre les deux (même si dans le langage courant on n'emploie guère ce terme pour un accident).

Il faut distinguer les interactions à distance (comme la gravité) des interactions de contact.

Interactions fondamentales
- Physique fondamentale
Les interactions fondamentales sont celles dont dérivent toutes les autres. On distingue quatre interactions fondamentales :
- Les interactions électromagnétiques.
- Les interactions faibles (qui recouvrent certaines formes de radioactivité, la désintégration du neutron et de certaines particules exotiques et les interactions des neutrinos).
- L'interaction forte (entre quarks et gluons).
- L'interaction gravitationnelle.
Elles ont des propriétés très différentes (intensité, portée, etc...).

Les interactions faible et électromagnétique ont été unifiées dans l'interaction électrofaible (les deux se distinguent à basse énergie). L'interaction forte est formulée dans un même cadre théorique mais non unifiée aux deux autres. L'interaction gravitationnelle est modélisée par la relativité générale et est fondamentalement différente des trois autres.

Les trois premières sont modélisées en théorie quantique des champs par l'échange de particules virtuelles entre particules chargées. En électromagnétisme c'est le photon, en interaction faible les bosons intermédiaires W et Z et en interaction forte le gluon. Les charges associées sont respectivement : la charge électrique, la charge faible et la charge forte appelée couleur.

Les interactions dérivées sont par exemple :
- L'interaction nucléaire (protons, neutrons) qui vient de l'interaction forte (les protons neutrons sont composés de quarks).
- Les interactions chimiques et de contact viennent de la structure des atomes et de l'interaction électromagnétique.
- Les forces de marées viennent de l'interaction gravitationnelle.

Certaines formulations spéculatives de la gravitation quantique font de même avec gravité : la particule échangée est alors le graviton qui reste hypothétique.

Certaines vulgarisation manquent de prudence et parlent du graviton comme d'un fait acquis.

[Deedee81]

Interférence
- Physique ondulatoire, mécanique quantique
Soit deux ondes de même nature qui se croisent dans une certaine zone et en particulier en un point x. Ces ondes sont des oscillations d'une grandeur physique, et donc au point x on doit faire la somme des grandeurs (sauf existence de non linéarités, mais cela ne change pas vraiment les choses ici). Le résultat peut être nul si au point considéré les grandeurs sont opposées (on parle d'interférence destructrice) ou intense si les grandeurs ont même signe (interférence constructive). Du fait du caractère oscillatoire, en fonction des longueurs d'onde, on peut ainsi voir se former des bandes (ou des cercles ou autre) avec des zones constructives et des zones destructives.

De nombreux dispositifs appelés interféromètres utilisent ce phénomène.

L'expérience de Young est emblématique des interférences. On peut la mener avec des ondes électromagnétiques, du son, des vagues, des électrons, etc. Dans ce dernier cas, les grandeurs sont données par les fonctions d'onde des électrons.

Interprétation
- La physique en général mais surtout la mécanique quantique
Lorsque l'on a une théorie, celle-ci se compose des grandeurs physiques mesurables et d'un formalisme mathématique composé d'objets mathématiques. Les liens entre les deux peut-être compliqué et indirect. C'est le cas en mécanique quantique où la fonction d'onde et les quantités mesurables sont donnés par un lien complexe (valeurs propres d'objets appelés opérateurs) et des probabilités. De plus, des difficultés conceptuelles peuvent apparaitre lors d'un examen attentif. Par exemple, en mécanique quantique, il y a contradiction entre l'équation d'évolution des systèmes physiques (l'équation Schrödinger qui est dite unitaire) et le mécanisme de réduction (qui n'est pas unitaire). Dans ce cas un minimum d'interprétation est nécessaire. Interpréter c'est donner une explication ontologique (voire philosophique) aux objets mathématiques, les règles qui vont avec et notamment une explication des difficultés conceptuelles soulevées.

Il existe de nombreuses interprétations de la mécanique quantique, chacune avec ses avantages et ses inconvénients, mais aucune n'est plus "vraie" qu'une autre, quel que soit les goûts philosophiques du physicien. De plus, on ne peut vraiment comprendre les interprétations que si l'on connait bien la mécanique quantique puisque ces interprétations en sont une description ontologique mais contrainte par les lois de la mécanique quantique.

Cela rend toute approche de la mécanique quantique assez difficile. D'autant qu'elle est souvent éloignée du sens commun. Pour son étude, on adopte normalement une interprétation minimaliste (dite instrumentale) pour aborder (éventuellement) d'autres interprétations plus tard.

C'est bien pire en vulgarisation où on ne passe pas par une étude approfondie de la mécanique quantique. On risque donc de très mal comprendre les explications si elles manquent de précision car le lecteur est incapable, par méconnaissance, de distinguer le formalisme de son interprétation, de savoir où sont les contraintes issues de la théorie et parfois même les résultats expérimentaux nécessaires à la compréhension ne sont pas tous donnés. De plus, il est fréquent que l'auteur mette en avant (volontairement ou non) sa propre façon de voir les choses et donc son "interprétation favorite" au risque de laisser croire que c'est la seule interprétation valable ou tout au moins qu'il serait possible de le prouver.

Intrication
- Mécanique quantique
Soit un système physique pouvant se trouver dans deux états que nous noterons |a> et |b> correspondant à une grandeur physique pouvant valoir a ou b. Alors le système peut aussi être dans l'état |a>+|b> ce qui signifie que lors d'une mesure on a une chance sur deux de mesurer a ou b.

Soit maintenant deux particules qui peuvent être dans les états |a,a> (nous notons successivement la valeur de la grandeur pour chaque particule) |a,b>, |b,a> ou |b,b>. Considérons maintenant l'état |a,a>+|b,b>. Un tel état est dit intriqué (en fait il existe de nombreux états intriqués, celui-ci est dit maximal, un autre maximal étant |a,b>+|b,a>).

Cela signifie que si l'on fait une mesure et qu'on trouve la particule a dans l'état |a> alors on trouvera aussi l'autre particule dans cet état, et de même pour b.

La difficulté est liée aux probabilités : on ne peut pas savoir quel est l'état de la particule avant de la mesurer. Certains trouvent cela inacceptable (ils optent pour des interprétations dites réalistes) et imaginent qu'il existe des variables cachées et que selon la valeur (inconnue) de ces variables cachées, le résultat a ou b est alors prédéterminé. La distribution statistique des valeurs prises par les variables cachées reproduisant les probabilités quantiques.

Bell a montré un résultat remarquable. Supposons que l'on sépare les deux particules et que l'on effectue diverses mesures dessus. Si les résultats coïncident on affecte une valeur +1 au résultat et s'ils sont opposés on affecte la valeur -1. En fonction des probabilités on calcule une moyenne de ce résultat appelé corrélation (des valeurs mesurées).

Bell a considéré des variables cachées locales. C'est-à-dire que chaque particule a ses propres variables et une mesure sur une particule ne peut altérer la valeur des variables de l'autre particule sans échange d'un signal quelconque (donc si on effectue les mesures de telle manière qu'aucun signal allant moins vite que la vitesse de la relativité n'ait le temps de se propager, alors aucune influence à distance n'est possible selon la relativité).

Le théorème de Bell montre que si les particules sont décrites par des variables cachées locales, alors les corrélations ne peuvent dépasser certaines valeurs appelées inégalités de Bell. Il est à noter que la mécanique quantique viole ces inégalités, ce qui est la source du débat !

Notez que mesurer a (ou b) pour les deux particules n'a rien d'étrange. Si vous prenez deux vrais jumeaux sans connaitre la couleur de leurs cheveux, vous ne serez pas surpris que même largement séparés (disons l'un à Paris et l'autre à New-York) une mesure montrera qu'ils ont les mêmes cheveux (par exemple tous les deux blonds ou bruns). La difficulté en mécanique quantique est que l'on dit que l'état superposé |a>+|b> ne résulte pas d'une ignorance (comme pour les jumeaux) mais est un aléatoire intrinsèque. Mais lorsque l'on mesure une seule particule on mesure a ou b et pas une probabilité !

Pour mettre en évidence les inégalités de Bell il faut donc des situations plus complexes obtenues par exemple avec des états de polarisation des particules, de nombreuses mesures réalisées sous des angles divers et un calcul des corrélations.

De nombreuses expériences ont été réalisées montrant que la mécanique quantique donne les bons résultats (et donc viole les inégalités de Bell). La première à le faire assez vite pour qu'aucun signal n'ait le temps de se propager fut l'expérience d'Aspect. Celle-ci présentait un défaut (appelé loophole) : les mesures rataient de nombreuses particules (des photons dans son expérience) et les résultats sur les photons perdus étaient supposés conformes à ceux détectés. Si la nature était perverse elle pourrait faire en sorte que les résultats sur ces photons soient très différents (ce qui pourrait contribuer à la difficulté de les détecter) et globalement rétablir le respect des inégalités de Bell. Peu y croyaient mais de toute façon, les mesures ont maintenant atteint une précision suffisante (peu de photons perdus) pour éviter cet écueil (expériences du groupe Zeilinger et bien d'autres).

Que signifie ce résultat ? Il y a trois possibilités :
- Ou la relativité est fausse (échange d'une information plus rapide que la vitesse de la lumière).
- Ou les variables cachées sont non locales (par exemple des variables communes aux deux particules).
- Ou il n'y a pas de variables cachées.
La plupart des physiciens optent pour la troisième possibilité mais quelque uns préfèrent la deuxième (théorie de Bohm). Ceux rejetant la relativité sont rares car celle-ci a été vérifiée en long et en large et en profondeur dans tous ses domaines d'applications et avec une précision extrême.

Ce résultat fait parfois dire que la mécanique quantique est non locale. Mais à strictement parler, c'est faux car seule la version avec variables cachées doit l'être. Un théorème de la mécanique quantique montre même qu'il est impossible d'utiliser l'intrication pour transmettre une information plus rapidement que la lumière (théorème de non communication) et en fait même à vitesse plus faible sans utiliser un canal classique de transfert de l'information.

La vulgarisation sur l'intrication est catastrophique ! On y a dit tout et n'importe quoi et souvent beaucoup de bêtises ou de choses trompeuses, soyez très prudents.

Lepton
- En physique des particules
On appelle lepton les particules insensibles à l'interaction forte (elles sont sensibles à l'interaction électromagnétique si elles sont chargées électriquement, à l'interaction faible et à la gravité). Elles regroupent les électrons, les muons, les taus et les trois espèces de neutrinos associés.

[Deedee81]

Localité
- La physique en général
Dire que la physique est locale signifie que toute variation d'une grandeur physique est déterminée par son voisinage immédiat. Cela implique que l'on peut formuler l'équation d'évolution sous forme d'une équation différentielle.

C'est généralement le cas en physique classique, exception faite de la loi de l'attraction universelle de Newton où l'effet des forces gravitationnelles présente un caractère instantané à distance.

C'est toujours vrai en relativité.

La localité implique que toute influence, déplacement de matière et énergie se fait à vitesse finie. En relativité, cette vitesse finie est limitée à la vitesse limite c (vitesse de la lumière dans le vide).

La mécanique quantique est assez particulière. Ses équations peuvent aussi se formuler à l'aide d'équations différentielles (par exemple l'équation de Schrödinger appliquée à la fonction d'onde). De ce point de vue, elle est donc locale. Mais l'intrication présente pourtant un caractère non local. Comment résoudre 1cette contradiction apparente ? Le théorème de non communication fournit la clef. Ce théorème de la mécanique quantique dit qu'il est impossible d'utiliser l'intrication pour transmettre un information plus rapidement que la lumière et en fait même à vitesse plus faible sans utiliser un canal classique de transfert de l'information. Il faut donc séparer le concept en deux :
- La localité proprement dite qui implique l'absence de transfert d'information, matière, énergie instantané à distance.
- La non séparabilité qui implique que la description d'un système (par exemple deux particules) ne peut se faire que globalement et pas en décrivant chaque particule séparément

En physique classique les deux vont toujours de pair. Mais en mécanique quantique, non, ce qui est forcément très contre-intuitif puisque nous sommes habitués à la physique classique qui dicte notre vie au quotidien. La mécanique quantique est locale (dans ce sens strict) mais non séparable.

Malheureusement le sens de local peut être flou et beaucoup l'emploient dans le sens non séparable dans la littérature. En particulier dans la vulgarisation qui ne distingue pas toujours les deux concepts entraînant des confusions dommageables.

Logique
- La physique en général
La logique au sens courant est généralement peu rigoureuse et n'implique que peu de règles (pas toujours bien appliquées), des raisonnements de type syllogismes et la causalité (l'habitude que A provoque B, mais sans s'assurer que c'est le cas même dans les situations très inhabituelles comme la physique microscopique ou à l'échelle de l'univers).

Les mathématiciens ont formalisé le concept de logique à l'aide de définitions syntaxiques précises et de règles d'inférences rigoureuses. Cela donne un caractère extrêmement solide aux raisonnements mathématiques. Sur la logique, les mathématiciens ont également construit une sémantique (notion de vérité) et la théorie de la démonstration. Selon les axiomes adoptés il y a une infinité de logiques différentes : logique orthodoxe, logique intuitive, logiques modales, logique quantique,... Les constructions théoriques utilisent les grandeurs mesurées et les constructions mathématiques et généralement la logique orthodoxe. Les mesures elles-mêmes peuvent obéir à différentes logiques, telles que la logique quantique en mécanique quantique.

Si l'on n'a pas l'habitude des raisonnements mathématiques et du caractère contre-intuitif de certains domaines de la physique, il peut être très difficile de se débarrasser des mauvaises habitudes de la "logique" au sens courant pour adopter une logique plus formelle empreinte d'une rigueur que le profane ne connait pas. La vulgarisation adopte le langage courant et des images issues de la vie courante, elle n'aide donc pas à franchir ce pas décisif en physique, surtout qu'elle cache la base de l'iceberg qui est l'énorme masse de travail rigoureux expérimental et théorique ayant aboutit à ce qui est présenté. Il faut donc être prudent car cela peut induire des confusions, des erreurs d'interprétation ou pire : le sentiment qu'il est possible de faire de la science et découvrir des choses en restant à un niveau purement vulgarisé.

Masse
- La physique en général
La masse est la propriété attribuée à la matière se manifestant par la résistance à la mise en mouvement (inertie). En relativité on définit la masse propre égale à la masse au repos ou nulle pour un objet se déplaçant à la vitesse limite (vitesse de la lumière dans le vide, photon), on a pris l'habitude de l'appeler "masse tout court". La notion de masse variant avec la vitesse (en relativité) ou masse relativiste étant devenue presque obsolète mais se rencontre encore.

La relativité montre également que la masse est une forme de l'énergie. Ainsi la masse d'un objet composite (atome, proton) est due à la masse de ses composants élémentaires (particules élémentaires, électrons, quarks,...) et de son énergie interne (qui peut être négative, conduisant au concept de défaut de masse en physique nucléaire).

La masse des particules élémentaires est aussi une forme d'énergie comme l'ont montré Broutt, Englert et Higgs (ainsi que la confirmation expérimentale au LHC) grâce au mécanisme de brisure de symétrie et l'intervention du champ de Higgs.

Il faut aussi signaler le concept de masse gravitationnelle, sources de la gravité, qui est identifiée à la masse précédente par le principe d'équivalence dit fort.

La pluralité de ces définitions qui a varié au cours du temps et ce caractère multiforme de la masse ne facilite pas sa compréhension et malheureusement la vulgarisation ne précise pas toujours de "quelle masse" elle parle !

[Deedee81]

Matière
- La physique en général
La matière est toute substance composée d'atomes. Elle peut prendre diverses formes : gaz, liquide, solide et avoir pour cette dernière des structures variées (cristaux, fibres, amorphes,...)

On qualifie parfois les atomes de plus petites particules de matière, mais c'est un peu trompeur car d'un côté les atomes ne sont pas insécables et d'un autre côté il n'y a pas d'atomes d'eau (composée de molécules d'eau, elles mêmes composées d'atomes d'hydrogène et oxygène). Les atomes étant composés de protons, neutrons et électrons, on qualifie parfois ces particules de "particules de la matière". Les protons et neutrons étant composés de quarks, on les ajoute parfois à la liste. Toutes ces particules étant des fermions, et les propriétés de ceux-ci étant essentielles aux propriétés des atomes et de la matière, il arrive que l'on qualifie de particules de matière tous les fermions classant les bosons dans la catégorie des particules transmettant les interactions.

Mais il arrive aussi parfois que le mot "matière" soit utilisé de manière totalement générique pour toute particule, fermions et bosons.

Comme on le voit, le terme "matière" est fortement polysémique. Son sens peut varier selon les auteurs et les domaines scientifiques. Ce n'est d'ailleurs pas un mot scientifique définit rigoureusement comme pourrait l'être "électron" par exemple. Donc, méfiance, dans la vulgarisation qui précise rarement les termes employés, si le mot matière est coté, toujours se demander si le sens correspondant est évident ou pas.

Matière noire
- Cosmologie, astrophysique
En 1933, Zwicky constata que les galaxies avaient une vitesse trop élevée dans les amas de galaxies pour expliquer leur stabilité. Pour que ces galaxies ne s'échappent pas, il fallait une gravité nettement plus forte que celle déduite de la quantité de matière visible.

Plus tard, on constata que la vitesse de rotation des galaxies souffrait du même problème. La vitesse de rotation correspondait à une masse totale bien supérieure à la quantité de matière visible.

Les mesurent s'affinèrent au cours du temps et on découvrir également ce déficit dans l'observation des lentilles gravitationnelles et dans les modèles cosmologiques et l'étude du rayonnement fossile.

Toutes ces observations étant concordantes, cela donna une grande assurance sur ce déficit qui fut appelé "matière noire".

Depuis, l'étude des microlentilles gravitationnelles a permit une cartographie très fine de ce déficit dans notre galaxie et les galaxies voisines.

De très nombreuses hypothèses ont été imaginées pour expliquer ce déficit : neutrinos massifs, gaz froid, corps massifs (planètes, petits trous noirs,...), etc... etc... Des observations précises ont permis d'éliminer un certain nombre de ces hypothèses, tout au moins comme explication unique du déficit observé. Mais il en reste plusieurs en lice. Il est d'ailleurs possibles qu'il y ait plusieurs causes (par exemple, les neutrinos pourraient y contribuer jusqu'à 10%). Les hypothèses actuelles ayant le plus le vent en poupe sont : particules massives inconnues (wimps), gravité modifiée (mais pas seule), et des trous noirs de quelques dizaines de masse solaire (une matière noire composée de plus petits trous noirs a été invalidée). Cette dernière hypothèse est revenue sur le devant de la scène suite à l'observation d'un nombre relativement important de fusions de trous noirs (observation des ondes gravitationnelles).

Le nom de matière noire est plutôt inapproprié car on ignore la cause du déficit observé. Il est même peu probable qu'il s'agisse de matière dans la mesure où même l'hypothèse de particules massives (wimps) serait constituée de matière dite non baryonique (ce que confirment les modèles cosmologiques), donc pas de la matière. Mais ce nom s'est imposé progressivement (au début on parlait de "masse manquante", ce qui est mieux bien qu'encore un peu abusif) et on doit faire avec.

Le nom étant un peu mal choisi, il n'est pas rare de voir des passionnés se tromper et croire que "la science pense vraiment qu'il s'agit d'une forme de matière". A leur décharge la vulgarisation est trompeuse car elle le laisse souvent croire et, de plus, présente souvent l'une des nombreuses hypothèses comme si c'était une certitude (ou peu s'en faut). Certains pensent aussi qu'on "manque d'idées", alors que les idées il y en a déjà pléthore : ce sont des observations précises qui sont nécessaires afin de trancher parmi toutes ces idées.

Matrice
- La physique en général
Terme mathématique désignant un tableau de nombres (nombres réels, nombres complexes,...) ou autres (même des matrices). Les mathématiques offrent diverses règles pour additionner, multiplier,... les matrices.

Objet très pratique et très utile pour représenter certaines grandeurs ou certaines opérations (contraints mécaniques dans un matériau, transformation de référentiels, opérateurs de la mécanique, quantique, etc...), les matrices sont omniprésentes en physique.

Etant donné leur présence importante en physique, il n'est pas rare que le terme soit cité dans la vulgarisation (mais sans détail, ce qui nécessiterait des explications mathématiques bien que pas très compliquées). Sa signification est rarement donnée car considérée comme acquise. Mais ce n'est pas toujours le cas ! Et cela est dommageable car le sens courant est très différent.

Méson
- En physique des particules
Les mésons sont des hadrons et des bosons. Ils sont composés d'un quark et d'un antiquark. Le méson le plus léger s'appelle méson pi ou pion.

Les mésons les plus légers sont les vecteurs de l'interaction nucléaire entre nucléons (protons, neutrons).

Moment angulaire
- La physique en général
Soit un corps de masse M en rotation autour d'un axe de rotation à distance R avec la vitesse V. On appelle moment angulaire (une espèce de "quantité de rotation") la valeur M*V/R. Plus l'objet est massif, plus il tourne vite et plus il est proche de l'axe de rotation, plus le moment angulaire est grand.

Bien entendu, pour un corps d'une certaine taille, chaque portion du corps est à distance différente de l'axe et se déplace à vitesse différente. Il faut alors effectuer un calcul plus compliqué (intégration).

En physique, le moment angulaire est une quantité conservée, tant en mécanique classique, qu'en relativité ou en mécanique quantique. Cette conservation découle directement de la symétrie des lois physiques sous les transformations globales sous rotation.

On distingue :
- le moment angulaire orbital (rotation autour d'un axe situé à une certaine distance, par exemple autour d'un autre corps).
- le moment angulaire propre (rotation autour de soi, autour d'un axe passant par le centre de masse).

Du fait de sa conservation, il a une grande importance en physique. En mécanique quantique, le moment angulaire propre conduit au concept de spin.

En vulgarisation, la conservation du moment angulaire est souvent présentée à l'aide du patineur qui rapproche ses bras pour augmenter sa vitesse. Ce qui est correct. Mais il est parfois cité sans explication, ce qui est dommage pour un concept qui n'est pas trivial.

Moment magnétique
- Electromagnétisme
Considérons un petit aimant. Le pôle nord et le pôle sud ne peuvent pas être séparés. Le champ magnétique prend une forme particulière, un ensemble de boucles partant d'un pôle et rejoignant l'autre. La grandeur caractérisant ce champ est le moment magnétique. On le retrouve aussi produit par une petite boucle de courant électrique.

Les particules élémentaires chargées électriquement (par exemple l'électron) possèdent un moment magnétique. La charge électrique tournante se comportant comme une petite boucle de courant. Mais l'analogie s'arrête là car à ce niveau le traitement doit se faire en mécanique quantique. Le moment magnétique dit élémentaire est appelé magnéton de Bohr.

[Deedee81]

Multivers
- Cosmologie, mécanique quantique
Multivers est la contraction de "univers multiples". Cette expression est un oxymore puisque par définition univers signifie "tout ce qui existe". Une expression plus juste parfois rencontrée dans le cas de la mécanique quantique est "monde multiple". Mais le terme multivers est maintenant répandu et on doit faire avec.

Les multivers se rencontrent dans deux cas :
- Les interprétations de la mécanique quantique. Une des interprétations (et certaines de ses variantes) émet l'hypothèse que lors d'une mesure, le hasard quantique a pour origine une duplication de l'univers en plusieurs univers disjoints. Ainsi, la mesure de l'état |a>+|b> conduit à un univers où l'on mesure |a> et un autre où l'on mesure |b>. Parfois appelés "univers décohérés", cette interprétation fut proposée par Everett et développée par Dewitt.

Il s'agit essentiellement d'une approche ontologique et philosophique de la mécanique quantique.
- La cosmologie où l'on suppose que la naissance de l'univers résulte de l'expansion rapide (inflation) d'une petite zone d'un univers plus vaste constitué d'un vide plus énergétique (vide quantique avant brisures de symétrie). De nombreux univers peuvent alors naître de ce vide (parfois appelés univers bulles). De nombreuses variantes existent.

Cette approche est extrêmement spéculative en ce qu'elle étend les raisonnements à une période de l'univers où les théories validées ne s'appliquent pas. Les résultats dépendent de diverses hypothèses ou ingrédients ajoutés plus ou moins arbitrairement.

La spéculation présente parfois ces modèles de multivers sans insister sur leur caractère spéculatif et sans distinguer les éléments solides (observations, théories validées) des pures hypothèses. Il faut être très prudent à la lecture de ce type de vulgarisation qui présente souvent juste les préférences de son auteur.

Observateur
- La physique en général
Plusieurs sens peuvent être attribués à ce terme.
- Au sens strict il s'agit d'un observateur humain
- Au sens large il peut s'agit d'un observateur humain mais aussi tout dispositif de mesure ou un objet physique quelconque (même une particule élémentaire comme un électron) ou même (surtout dans une approche théorique) d'un simple point de référence servant à attribuer, à tout événement, des coordonnées spatiales et temporelles (référentiel).

Notons que la notion d'observation fait référence à la vue ou tout au moins à la lumière (si "l'observateur" est par exemple une cellule photo-électrique ou un appareil photo). C'est souvent le cas pour le sens strict ci-dessus. Mais il est fréquent aussi de l'employer au sens de la mesure (mesure d'une grandeur physique quelconque, pas nécessairement en utilisant un signal lumineux).

Lorsqu'il s'agit d'observer/mesurer via un signal lumineux, il arrive fréquemment qu'on ne parle pas de l'observation directe mais de ce que l'on déduit du phénomène observé après avoir pris en compte le fait que le signal lumineux a mis un certain temps pour arriver à l'observateur.

Les résultats peuvent être différents suivant le sens exact "d'observateur" ou "d'observation".

Notons que la vulgarisation utilise la plupart du temps correctement ces notions mais ne précise pas toujours le sens, ce qui peut entrainer des confusion si le lecteur n'a pas saisi le sens exact utilisé. Il faut donc être prudent et toujours se demander quel sens exact est employé.

Onde
- Physique ondulatoire (en fait, presque toute la physique)
Une onde est une grandeur définie en tout point (comme un champ) qui varie périodiquement au cours du temps et dans l'espace. Une onde peut se propager (onde progressive) ou pas (onde stationnaire). Les ondes sont caractérisées par quelques propriétés comme la fréquence, la longueur d'onde, la vitesse, .... Et quelques caractéristiques telles que le front d'onde (sphérique, plan, etc...) ou la nature de la grandeur physique concernée (scalaire, vectorielle, ...)

Un exemple simple est la hauteur de l'eau pour une vague ou la pression pour une onde sonore.

La vulgarisation ne précise pas toujours ce qu'est vraiment une onde et donne parfois l'impression qu'il s'agit de quelque chose de différent de la simple variation périodique d'une grandeur. Elle peut parfois aussi donner l'impression (mais c'est plus rare) qu'une onde est forcément une vibration, ce qui n'est vrai qu'en mécanique (son). Ce n'est pas le cas en électromagnétisme par exemple (onde électromagnétique) ou en mécanique quantique (fonction d'onde) où on a là juste une variation des champs électriques/magnétiques et de l'amplitude (respectivement).

Opérateur
- Mécanique quantique
Un opérateur est un objet mathématique qui opère sur des objets mathématiques d'un type donné, c'est-à-dire que les transforme en un autre objet du même type. On utilise en général des opérateurs linéaires tels que si O est un opérateur et v1, v2 des objets sur lesquels il agit, on a O(v1+v2)=Ov1+Ov2. Les objets transformés sont généralement des vecteurs. En choisissant une base de vecteurs, il est possible de représenter les opérateurs par des matrices.

La mécanique quantique utilise abondamment ce concept, les opérateurs pouvant représenter des transformations particulières des états quantiques ou des grandeurs physiques. Les grandeurs mesurables sont représentées par des opérateurs dit des observables. Quelques règles permettent de faire le lien entre les observables et les grandeurs mesurées. L'équation de Schrödinger elle-même est une équation opérateur qui dit que si |p> est un état et H l'opérateur hamiltonien, alors H|p> est égal à la variation de |p> au cours du temps.

La vulgarisation utilise parfois ce terme sans réellement l'expliquer tant il est omniprésent en mécanique quantique.

[Deedee81]

Paradoxe
- La physique en général
Un paradoxe est une situation contradictoire qui résulte d'une situation et d'un raisonnement utilisant des règles données. Un exemple typique est le "paradoxe du grand-père". Un homme remonte le temps dans une machine à voyager dans le temps (la règle ici étant que c'est possible) et tue son grand-père (une autre règle est ici implicite : on peut modifier le passé) avant qu'il ait des enfants. Dans ce cas, il ne peut pas avoir eut de petit-fils et celui-ci ne peut pas avoir remonté le temps.

Le mot paradoxe est parfois utilisé dans le sens "contre-intuitif, inhabituel, étonnant".

L'origine d'un paradoxe peut parfois être l'usage incorrect des règles utilisées (par exemple une théorie physique), sinon il résulte d'une inconsistance réelle des règles utilisées.

La vulgarisation utilise souvent des expériences de pensée (surtout en relativité et en mécanique quantique) pour mettre en évidence des paradoxes. L'auteur spécifie rarement dans quel cas on se situe (contre-intuitif, usage incorrect d'une théorie ou réelle inconsistance). Cela entraine des confusions et des incompréhensions. Surtout qu'il n'est pas rare que des auteurs en soient réellement victimes eux-mêmes et croient par un tel raisonnement avoir réfuté une théorie (souvent la relativité, mais pas toujours). Il faut être très prudent face à de telles situations, la compréhension en est rarement aisée contrairement à ce que laissent voir les apparences.

Particule
- En physique des particules
Les particules sont les objets physiques les plus petits avec une description ne nécessitant que quelques paramètres et qui ont une individualité propre.

Cette identité propre n'empêche pas certaines particules d'avoir une structure interne, comme les protons, les neutrons, les mésons,... qui sont composés de quarks. Mais le mécanisme de confinement de l'interaction forte fait que cette structure interne ne se manifeste qu'à des énergies énormes lors de collisions entre particules. Les autres particules sont pour la plupart des particules élémentaires, c'est-à-dire sans structure interne pour autant que nous le sachions : électrons, quarks, photons, neutrinos, etc...

Les paramètres permettant de les décrire sont, outre leur position et leur mouvement, décrit par leur fonction d'onde, la masse, le spin, les charges (électrique et autre) et les constantes de couplage aux charges.

Il faut prendre garde de ne pas confondre particule et corpuscule. Les particules doivent être décrites par la mécanique quantique et manifestent des propriétés ondulatoires. La vulgarisation en donne malheureusement parfois une image corpusculaire.

Particule virtuelle
- En physique des particules
Une particule virtuelle est une particule créée ou détruite dans un processus donné. Par exemple, dans une collision de deux électrons, pendant la collision, il y a échange entre les deuxµ électrons de photons, de paires électrons - positrons, etc. Par définition ces particules ne sont pas observées car absentes au début et à la fin d'où leur nom de virtuel (par opposition à réel pour les autres présentes au début ou à la fin du processus).

Mais doit-on les considérer comme moins réelles, comme un intermédiaire de calcul (diagrammes de Feynman) ? En effet tout dépend du point de vue. Soit un électron dans une ampoule émettant un photon absorbé par une molécule d'une plaque photographique. Si on considère le processus électron - émission du photon - absorption par la molécule, le photon est virtuel. Mais si on considère le processus électron - émission de photons (la plaque photographique étant un instrument de mesure) alors le photon est considéré comme réel !

Deux choses distinguent les particules réelles des particules virtuelles
- Du fait de leur faible durée de vie les particules virtuelles ont des grandeurs imprécises (principe d'incertitude) et même "hors de la couche de masse" (le photon, sans masse, par exemple peut être dans un état avec masse). Tandis que les particules réelles existant avant et après ont des valeurs précises de leurs paramètres (par exemple l'envoi d'électrons de vitesse bien précise pour une collision).

Mais cela est une approximation car ces particules réelles vont être créées, détruites (par exemple le photon absorbé par l'instrument de mesure qu'est la plaque photographique ci-dessus) ou subir des interactions avec d'autres particules. Là aussi la durée où les paramètres sont considérés est limitée et les valeurs imprécises. A nouveau tout est question de point de vue.
- Le calcul quantique exige que l'on fasse la somme sur tous les états intermédiaires (les particules virtuels possibles) alors qu'on mesure les particules réelles dans des états précis. Mais ceci n'est pas nouveau, il s'agit du problème de la mesure quantique qui nécessite interprétation et dans un processus tel que l'expérience de Young avec des électrons on doit aussi faire la somme sur tous les chemins que peut emprunter l'électron sans qu'il y ait là de particules virtuelles.

Il faut donc prendre garde aux mots. La distinction réel / virtuel est plus formelle que réelle et résulte de points de vues, approximations et règles liées à la mesure.

La vulgarisation donne très souvent une image faussée de ce que sont les particules virtuelles.

[Deedee81]

Phonon
- Physique du solide, physique statistique, mécanique quantique
Dans un solide, les atomes ont tendance à se déplacer légèrement sous l'effet de l'agitation thermique, sous l'effet d'un choc,... Les forces de liaison entre atomes tendent à ramener ceux-ci à leur position moyenne mais aussi à se propager On a ainsi formation de vibrations qui se propagent à travers le solide. Une fois quantifiées (mécanique quantique) ces vibrations se comportent comme des particules appelées phonons.

Photon
- Théorie quantique des champs, électrodynamique quantique relativiste
La théorie de Maxwell définit le champ électromagnétique. Après quantification de ce dernier, les objets physiques apparaissent comme des excitations quantifiées de ce champ : les photons.

Attention, on ne doit pas croire que l'on a des ondes électromagnétiques ET des photons. Ce sont en fait deux descriptions théoriques différentes de la même réalité physique. De plus, le photon ne doit pas être vu comme un corpuscule.

Dans la base d'état quantique habituelle (dite base de Fock), un photon correspond à une onde plane monochromatique d'énergie h.nu (constante de Planck fois la fréquence). (mais attention, ce n'est pas une simple onde électromagnétique, le photon reste un objet quantique) C'est le choix le plus facile mais il est mathématiquement douteux : une onde monochromatique est "éternelle" et donc si elle a une énergie finie, alors son amplitude est nulle !!!! On doit en principe utiliser des paquets d'ondes et vérifier si les calculs avec le choix ci-dessus n'est pas erroné (il se fait que ça marche bien).

La vulgarisation présente souvent mal les photons laissant croire qu'ils sont là en plus des ondes électromagnétiques ou qu'ils sont comme des corpuscules.

Plasma
- Physique des plasmas
Un plasma est un gaz dont tous les atomes ont perdus leurs électrons (ceux-ci restant dans le plasma mais non liés aux atomes). Il existe deux grandes catégories de plasmas :
- Les plasmas à haute température, où ce sont les chocs violents entre atomes (agitation thermique) qui arrachent les électrons. Ce sont les plasmas des étoiles ou de la fusion thermonucléaire.
- Les plasmas basse température, où le gaz est à très basse pression, évitant ainsi que les électrons se recombinent facilement avec les atomes. C'est par exemple certains plasmas interstellaires ou certains tubes (néons) où les électrons sont arrachés par une décharge électrique intense.

Potentiel
Voir énergie potentielle

Principe d'équivalence
- Gravitation universelle de Newton, relativité générale
En principe, la masse intervient de deux manières dans les lois du mouvement des corps :
- D'une part, la masse dite inerte, est la propriété qui fait qu'un corps résiste à la mise en mouvement.
- D'autre part, la masse dite grave est celle qui intervient dans la loi de l'attraction universelle (la gravité). Très tôt, avec Galilée puis Newton, on découvrit que quels que soient les corps, la masse inerte est proportionnelle à la masse grave. Un choix approprié des unités de mesure les rend égales. Par après, des expériences précises (Eotvös) montrèrent que cette égalité est générale et extrêmement précise.

Ceci poussa Einstein à postuler qu'il n'y a qu'une et une seule masse (à la fois masse inerte et grave). C'est le principe d'équivalence fort (le précédent étant maintenant appelé principe d'équivalence faible).

Une des conséquences du principe d'équivalence (c'est d'ailleurs ce qui fut mit en évidence par Galilée) est que l'accélération de la pesanteur en un point est indépendante de la nature des corps qui chutent. Mais attention, à strictement parler cette conséquence n'est valable que si le corps est petit et de faible masse (sinon l'accélération de la pesanteur varie sur la taille du corps et sa masse importante exerce en retour un effet gravitationnel sur les objets environnant ce qui affecte les résultats).

En relativité générale, le principe d'équivalence prend la forme : En tout point, il existe un système de référence tel que, dans le voisinage de ce point, la relativité restreinte s'applique. On parle de référentiel en chute libre. Traduit géométriquement, ça revient à dire qu'en tout point il y a un espace tangent (l'équivalent de la tangente à une courbe mais ici pour un espace-temps courbe à quatre dimensions) qui est l'espace-temps de Minkowski.

Attention, la vulgarisation n'exprime pas toujours le principe d'équivalence de manière claire et distingue rarement les différentes formes du principe. Il est encore plus rare qu'on y précise les restrictions indiquées ci-dessus.

Quantique
Le terme quantique vient de quantifier. Dans le sens général il signifie attribuer des valeurs numériques précises. Ce sens est utilisé en physique pour décrire les approches/traitements quantitatifs, c'est-à-dire avec des grandeurs mathématiques précises ou expérimentalement avec mesures. La physique est une science quantitative dans ce sens.
- Mécanique quantique
Concerne un ensemble de théories basées sur un formalisme commun, celui de la mécanique quantique. On parle de quantifier quand on part d'une théorie classique et qu'on lui applique certaines règles pour la reformuler dans le cadre de la mécanique quantique. Le terme quantique vient ici de "grandeurs quantifiées" dans le sens "prenant des valeurs discrètes". Trois cas sont à distinguer :
- Des valeurs liées, par exemple le photon a une énergie proportionnelle à sa fréquence. Il se présente sous forme de "paquets" d'énergie précise d'où le terme. Mais toutes les valeurs de l'énergie et de la fréquence restent possibles.
- Dans certains cas une particule ne peut avoir que des valeurs discrètes de l'énergie, la quantité de mouvement,... C'est le cas des électrons liés dans un atome par exemple. C'est aussi le cas de certaines grandeurs comme la charge électrique ou le spin (là en toute circonstance).
- Dans d'autres circonstances, les valeurs ne sont pas quantifiées, par exemple l'énergie d'un électron libre peut être quelconque.

Réalité
- La physique en général
Le concept de réalité est un concept philosophique et non un concept scientifique. On peut par contre parler de réalité physique comme étant l'ensemble des faits expérimentaux : les expériences, les observations, les valeurs mesurées et les relations entre les grandeurs déduites de ces valeurs.

La science basée sur principe d'objectivité qui dit en substance que les résultats expérimentaux sont l'image d'une certaine réalité commune à tout le monde. Sans principe d'objectivité, pas de science possible !

On est conscient bien entendu que les résultats mesurés ne sont qu'une facette des phénomènes expérimentés et que les instruments de mesure eux-mêmes obéissent aux lois physiques dont on doit tenir compte. Cela a d'ailleurs commencé très tôt, dès l'antiquité, où les philosophes se sont inquiétés des relations entre perception et réalité objective.

Attention à la vulgarisation qui peut employer parfois le terme de réalité à tort et à travers, bien au-delà du sens restreint de réalité physique ou dans un sens franchement abusif.

[Deedee81]

Réduction de la fonction d'onde
- En mécanique quantique
Prenons un système physique qui est dans l'état quantique |x>+|y>, c'est-à-dire dans un état où se trouve en deux endroits x et y. Un tel état ubiquiste n'est pas qu'une vue de l'esprit et est réellement une "indétermination intrinsèque", elle ne résulte pas de l'ignorance de la position de l'objet comme le montrent certaines expériences (en particulier celles liées aux interférences).

Mesurons maintenant la position de l'objet. On trouvera toujours x ou y et pas les deux. Et ceci selon des lois probabilistes bien précises (règle de Born). Puisque après mesure l'objet a une précision bien précise, par exemple x, alors son état devient |x>. On dit que l'état est réduit (ou sa fonction d'onde).

Ce résultat illustre le problème dit des états définis ou problème de la mesure : pourquoi y a-t-il réduction ? Pourquoi n'observe-t-on (à l'échelle macroscopique) jamais un état superposé ? Ce problème est même plus profond qu'il n'y parait :
- Il y a une compatibilité entre le mécanisme de réduction et l'équation d'évolution de la mécanique quantique (dite unitaire). Il n'existe aucun hamiltonien tel que l'état |x>+|y> puisse évoluer en |x>. Il est clair qu'avoir un ensemble de postulats qui conduit à une telle contradiction ne peut être accepté sans explication.
- Une mesure n'est pas une opération "ponctuelle". C'est un processus parfois très complexe qui part (par exemple) d'interactions élémentaires microscopiques et qui remonte d'étape en étape (chaîne de mesure) jusqu'à un enregistrement ou un affichage sur un écran ou un cadran. La question se pose alors : quand se produit la réduction ? Elle ne peut pas se produire trop tôt car les expériences sur les systèmes microscopiques montrent que les superpositions subsistent même pour des systèmes en interaction ou d'une certaine taille (grosses molécules). Par contre, chose étonnante, elle peut se produire aussi tard qu'on veut sans changer les résultats physiques (certaines interprétations un peu douteuse remontent même jusqu'à la conscience de l'observateur). Et ceci explique pourquoi la mécanique quantique marche si bien malgré la contradiction relevée plus haut.
- On pourrait croire que le fait de trouver une position précise résulte du fait que l'appareil de mesure est conçu pour ça (remarque donnée parfois dans l'interprétation de Copenhague). Mais une analyse du processus montre que non. Considérons donc le système dans l'état |x>+|y> et considérons un appareil dont les états quantiques sont |0> pas de mesure, |X> (mesure de x), |Y> (mesure de y). L'équation d'évolution et l'interaction de mesure donne : |0>(|x>+|y>) -> |X>|x> + |Y>|y>. L'état final est intriqué et toute combinaison des états reste possible ce qui signifie en fait que l'appareil.... ne mesure rien !!! La réduction semble donc indispensable. Mais si cette étape (la réduction) ne se produit pas dans l'interaction proprement dite (puisqu'elle peut se réaliser tardivement), où et comment prend-t-elle place ?
- Le choix des bases (comme la base position) est totalement arbitraire. Considérons la base |u>, |v> définie comme suit :
|u>=|x>+|y>, |v>=|x>-|y>
Il s'avère que concevoir un dispositif mesurant les états macroscopiques |u>, |v> est impossible (au moins en pratique) Ce qu'on va mesurer c'est (par exemple, si on mesure une position x) |u>+|v>, c'est-à-dire.... un état superposé ! Pourquoi ne peut-on concevoir un appareil pour cette base ? Pourquoi la base |x>,|y> semble-t-elle privilégiée ?

Les réponses à cette problématique sont :
- La décohérence quantique montre que l'interaction des systèmes avec leur environnement conduit à une situation où le système seul semble se comporter comme un mélange statistique. Cela sélectionne une base privilégiée qui explique une partie des constats précédents.
- La superposition quantique reste (le mélange statistique n'est qu'apparent, l'état complet incluant l'environnement et éventuellement l'appareil de mesure, reste superposé). Une interprétation reste donc nécessaire. Il y en a trois catégories :
-- celles avec réduction (interprétation instrumentale, Copenhague, transactionnel,...)
-- celles avec réduction physique (il s'agit en fait d'une modification mécanique quantique)
-- celles sans réductions (états relatifs, mondes multiples,...)

Attention, la vulgarisation explique souvent très mal cette problématique et confond souvent les deux aspects (base privilégiée et état défini). Et elle prend souvent parti pour une interprétation donnée. Les abus de langage sont également fréquents.

Référentiel
- La physique en général
C'est un système de référence (c'est-à-dire un moyen pratique opérationnel) pour distinguer les événements ou les objets, leur attribuer une situation, etc....

Il y a un certain flou artistique dans la terminologie, en particulier avec repère, on distinguera donc :
- Une base : qui (dans ce contexte) est une base d'un espace vectoriel qui sert à modéliser l'espace ou l'espace-temps.
- Un repère/référentiel spatial qui sert à attribuer (en principe à un instant donné arbitraire) un lieu précis à toute chose.
Tout système de référence a un point d'origine, on se réfère à ce point d'origine.
- Un repère/référentiel spatial et temporel qui sert à attribuer un lieu précis et un instant précis (une date) à tout événement.
- Un référentiel attaché à un objet est un référentiel dont l'origine est l'objet lui-même.
- Un système de coordonnées est une attribution à chaque lieu ou événements de valeurs numériques (x, y, z, t) selon des règles précises (mathématiques et opérationnelles). Il ne faut pas confondre avec ce qui précède. Un système de coordonnée n'est pas un référentiel (on peut par exemple dans un référentiel donné avoir un système de coordonnée cartésien, ou sphérique, ou cylindrique, ....)

Le flou qui peut exister sur la terminologie se reflète malheureusement dans la vulgarisation qui ne précise pas toujours quel sens elle attribue à ces mots. Il peut y avoir parfois de grosses confusions.

Relatif
- relativité
Se dit d'une grandeur dont la valeur n'a de sens que mesuré par rapport à une autre grandeur ou par rapport un observateur donné "relatif à...." Dans les théories de la relativité, c'est le deuxième sens qui prévaut.

Notons que :
- On appelle relativité galiléenne l'application de ce sens dans le cas des théories classiques (Newton). Par exemple, la vitesse est une grandeur qui dépend de l'observateur (de son état de mouvement).
- La relativité restreinte doit son nom (relativité) au fait que le temps et les longueurs deviennent relatifs à un observateur donné (contrairement aux théories de Newton où ils sont absolus).
- "Restreint" vient du fait qu'on se limite aux référentiels inertiels
- Le mot général dans relativité générale vient de la généralisation aux référentiels accélérés (et aussi à l'intégration de la gravité dans la théorie)

Repère
Voir référentiel.

Séparabilité
- Mécanique quantique
On ira voir aussi avec profit les termes intrication et localité.

La non séparabilité est la situation où il est impossible de décrire un système physique partie par partie et où une description globale est inévitable.

Si l'on regarde un ballon (en physique classique) on peut bien sûr décrire globalement le ballon en donnant sa couleur, sa forme, sa composition. Mais il est aussi possible de décrire le ballon partie par partie (par exemple les différentes parties cousues d'un ballon en cuir) et de dire comment chaque partie est disposée les unes part rapport aux autres.

En mécanique quantique, une telle description séparée n'est pas toujours possible. Prenons un système de deux particules intriquées, la particule 1 pouvant être dans les états |a> et |b> et la particule 2 les états |x> et |y>. L'état intriqué peut par exemple être |a,x>+|b,y>. Si l'on décrit chaque particule séparément, on aura respectivement |a>+|b> et |x>+|y> et l'état intriqué n'est ni la somme, ni le produit ni une simple juxtaposition des deux états. Une description commune est nécessaire.

Il n'est pas rare dans la littérature et à fortiori dans la vulgarisation de voir une confusion entre séparabilité et localité.

[Deedee81]

Spéculation
- La physique en général
Une spéculation est un raisonnement hypothétique dont les résultats ne sont pas (encore) validés par l'expérience ou l'observation.

Il y a fort flou artistique sur la notion mais on peut certainement grossièrement classer les spéculations comme suit (ce classement est un repère et n'a strictement rien d'officiel) :
- Constructions théoriques : construction suivant la Méthode Scientifique : Données expérimentales, observations, théories déjà validées => modélisation théorique => nouvelle théorie ou améliorations anciennes => prédictions Et dont les prédictions n'ont pas encore été validées par l'expérience.

Toutes les théories sont passées par là avant d'être validées par l'expérience et l'observation, que ce soit la théorie de l'électromagnétisme de Maxwell, la relativité restreinte, a relativité générale.... Une théorie récemment validée est celle du boson de Higgs (basée sur le mécanisme de brisure de symétrie et d'un champ scalaire à l'époque spéculé). Ce n'est qu'après confirmation expérimentale que ces travaux ont été conclut par un prix Nobel.

D'autres sont encore dans ce cas : théorie des cordes, gravitation quantique à boucles,...
- Prédictions isolées : théorie déjà largement validée mais dont certaines prédictions attendent encore une confirmation expérimentale. Ce fut le cas des trous noirs et des ondes gravitationnelles à une époque pas si lointaine.
- Hypothèses. Ensemble d'hypothèses posées pour expliquer un phénomène physique mais pas encore validées ou réfutées. Par exemple, pour expliquer le phénomène observé et baptisé un peu improprement "matière noire", de nombreuses hypothèses ont été posées. Certaines ont été réfutées mais il en reste encore plusieurs en lice.
- Prédictions moins plausibles. Dans certains cas, en poussant les théories largement au-delà de leur domaine validé on peut faire des prédictions qui ne sont d'ailleurs pas toujours exempte de difficultés. Ces le cas par exemple des trous de vers et des trous blancs en relativité générale.
- Prédictions construites sur de la spéculation. Ce sont les prédictions et modèles construits sur des théories non validées, modèles échappant (au moins actuellement) à toute validation. C'est le cas des modèles cosmologique issus de la théorie des cordes ou de la gravitation quantique à boucles ou des travaux comme ceux sur l'inflation éternelle de Linde ou encore divers modèles topologiques de l'univers. Ne manquant pas d'audace ni d'intérêt, ces constructions ont tout de même une chance assez limitée d'êtres valides et traduisent plus une volonté de "prendre les devant" et aussi de voir ce qu'on peut tirer des travaux théoriques existant dans l'espoir de les améliorer.
- Spéculation sauvage. Raisonnements construits sur des hypothèses gratuites et non fondées. On en trouve parfois dans des essais théoriques. Un exemple sont les univers dans les trous noirs en se basant sur relativité générale et la mécanique quantique. Le caractère plausible est très faible.
- Spéculation gratuite. Idées vagues, rêveries, idées confuses, plus ou moins fantaisistes qu'on peut parfois trouver sous la plume de certains auteurs, souvent des profanes d'ailleurs, mais en tout cas jamais dans un travail théorique sérieux et validé par la communauté scientifique.

A cause du caractère nouveau, exotique voire spectaculaire, les spéculations sont souvent appréciées du grand public et sont donc la source d'inspiration de nombre de vulgarisations. Nombre de spéculations font appel à des travaux théoriques très complexes, très pointus, très abstrait et leur vulgarisation est éminemment difficile. Et il n'est effectivement pas rare que ces vulgarisations soient décevant et ce même quand l'auteur est un bon scientifique. Et malheureusement le profane ne peut pas toujours s'en rendre compte ce qui lui donne alors une vision très altérée de ces sujets. Enfin, il est fréquent que la vulgarisation ne précise pas le côté spéculatif, mettant en apparence sur le même pied les théories validées et la spéculation jusqu'à parfois la plus sauvage ou la plus gratuite. L'auteur souvent le sait.... mais ne le dit pas. C'est assez irresponsable car si le lecteur se rend compte du problème il peut en arriver à dire "les scientifiques racontent n'importe quoi". Comment aurait-il alors envie de lire des travaux plus sérieux, plus solides, non spéculatifs et qui ne présentent pas ce travers ?

Spin
- Mécanique quantique
Conseil : voir l'expression moment angulaire.

Le spin est la version quantifiée du moment angulaire propre (rotations propres). On montre (c'est assez complexe) que le spin S se classe en catégories : 0, 1/2, etc... Par exemple l'électron a un spin 1/2, le photon un spin 1, etc.

Pour un spin S donné la valeur du spin peut prendre les valeurs de -S à +S par pas 1/2. Par exemple pour le spin 3/2l les valeurs sont -3/2 -1/2 +1/2 +3/2 ou pour le spin 1 : -1, 0, 1. (il faut multiplier par la constante de Planck et diviser par deux pi pour avoir la valeur du moment angulaire quantifié). La valeur 0 (quand elle dedans) peut être exclue pour des raisons liées à la relativité (particules de masse nulle).

La valeur est donc quantifiée et ce quelle que soit la direction de mesure, contrairement au moment angulaire classique. Ce qui implique qu'elle ne se comporte pas du tout comme le moment angulaire classique lors de rotations, mais il existe des matrices de rotations (différentes selon S) permettant de faire les calculs.

Le spin est une grandeur sans réel équivalent classique, ce qui rend sa vulgarisation très difficile. Certaines vulgarisations pourraient donc être assez difficiles à comprendre voire être trompeuses, prudence.

[Deedee81]

Symétrie
- La physique en général
Le sens courant est assez restreint, dans le langage courant symétrique (comme dans "avoir un visage symétrique") est la symétrie miroir (image identique et superposable après inversion gauche-droite). En physique, le sens est plus large : une symétrie est toute transformation (réversible) agissant sur les grandeurs physiques (géométriques ou non) et donnant un résultat qui est aussi solution des équations décrivant la physique considérée. Si la situation transformée n'est pas solution dans certaines circonstances, on parle de symétrie brisée ou violée.

L'outil mathématique par excellence pour traiter des symétries est la théorie des groupes.

L'usage des symétries en physique concerne :
- le classement (et l'étude des propriétés afférentes) : par exemple les structures cristallines.
- La simplification des résolutions des équations en présence de symétries.
- Le lien entre symétries et lois de conservation;
- Les symétries locales (on n'applique la symétrie qu'en un seul endroit ou plutôt différemment en chaque point). Les théories dites de jauges locales sont un usage profond de cette approche qui inclut par exemple l'unification de l'interaction électromagnétique et de l'interaction faible;
- Les symétries brisées explicitement sont la situation où les équations respecteraient une symétrie s'il n'y avait pas un terme très particulier brisant la symétrie.
- Les symétries brisées spontanément sont les situations où une symétrie est respectée à haute énergie mais brisée à basse énergie. Le système a alors tendance à évoluer vers l'état non symétrique. Cela se rencontre partout, depuis la colonne en bêton qui flambe (d'un côté quelconque, brisant la symétrie par rotation) lorsqu'on presse verticalement dessus, jusqu'au mécanisme de Higgs expliquant la masse des bosons intermédiaires de l'interaction faible.

La vulgarisation ne précise pas toujours le sens large et certains usages un peu pointus parfois mal expliqués. Il faut donc bien réfléchir.

Téléportation
- Mécanique quantique
La téléportation quantique est une méthode théorique mais aussi pratique (bien que parfois complexe à mettre en oeuvre) permettant de transférer tout ou partie de l'état quantique d'une particule ou un atome vers une autre particule ou atome (pas nécessairement de même nature) et ce sans mesurer l'état quantique.

L'état quantique de l'objet original est totalement altéré (c'est inévitable en vertu du théorème de non clonage). Il n'y a pas téléportation d'énergie ou de matière, donc ce n'est pas une téléportation "à la Star Trek" !

La méthode utilise l'intrication quantique, un transfert (classique) des particules intriquées et un canal de communication classique (ceci est inévitable en vertu du théorème de non communication), donc la téléportation ne peut pas être instantané et ne peut se faire qu'à vitesse finie inférieure à la vitesse de la lumière dans le vide.

L'usage de la téléportation quantique se trouve dans les outils pour le calcul quantique ou pour le transfert d'informations sécurisées en lien avec crypto quantique.

La vulgarisation est parfois un peu trop technique ou à l'inverse trop simplifiée et pas toujours bien expliquée, mais les vulgarisations trop spectaculaires "à la Star Trek" sont heureusement peu fréquentes.

Temps
- La physique en général
Le temps est notoirement difficile à définir. Tentons quelques définitions très générales.
- Conceptuel : étiquette attribuée aux événements et permettant de les classer en fonction de la causalité (événements liés par une relation de cause à effet).
- Pratique : si l'on essaie de décrire le mouvement comme une succession de lieux occupés par un mobile au cours d'instants, on constate que le mouvement est le plus facile à décrire en utilisant des instants appropriés, c'est-à-dire un temps approprié. Comme le dit Kip Thorn, "le temps est ce qui rend le mouvement simple". Et l'expérience montre que ce choix est commun à tout mouvement, ce qui permet de baser le temps sur des mouvements ou des phénomènes répétitifs.
- Métrologie : ainsi la métrologie définit la seconde comme le temps écoulé pendant un nombre précis d'oscillations de la transition hyperfine du césium (horloges atomiques).
- Physique : le temps est ce que mesurent les horloges. Celle-ci étant des instruments qui ont été dénommés comme tels et que l'on construit et calibre par comparaison entre horloges.

La description du temps dépend fortement du cadre théorique car celui-ci joue sur la dynamique et la causalité. Ainsi, le temps est absolu en physique classique (newtonienne), il est relatif en relativité et dans certaines formulations de la gravité quantique (comme la gravité quantique à boucles) il disparait ! Cela conduit à des affirmations abusives telles que "le temps n'existe pas". En réalité il devient une grandeur émergente d'une structure plus fondamentale, tout comme la température émerge de l'agitation thermique (et personne ne dit "la température n'existe pas"). De plus, on peut le mesurer ce qui serait plutôt bizarre s'il n'existait pas.

Son statut particulier peut conduire à des définitions circulaires, ce qui est en partie le cas ci-dessus puisque le mouvement est un "déplacement au cours du temps" (mais on peut décrire le mouvement comme une suite ordonnée d'événements).

Ces difficultés pour le définir, son statut éminemment variable selon le cadre théorique et les abus de langage se reflètent fortement dans la vulgarisation, même réalisée par de bons scientifiques. Ce qui rend la compréhension difficile et trompeuse. Vulgarisation qui confond d'ailleurs souvent temps et flèche du temps. C'est un sujet délicat et il faut être très prudent quand on lit de la vulgarisation sur le sujet.

Topologie
- Mathématiques, la physique en général
La topologie est une discipline mathématique qui prend essentiellement trois formes : la topologie générale, la topologie différentielle et la topologie algébrique. Nous ne parlerons que des deux premières.
- La topologie générale implémente de façon rigoureuse les notions de continuité, de limite, de voisinage,... La définition d'une topologie consiste à définir (de manière réglementée) les "ouverts" d'un ensemble et il y a aussi un lien avec les métriques (c'est-à-dire les espaces sir lesquels en gros on définit la notion de distance et d'angles).
- La topologie différentielle doit son nom aux variétés différentiables, c'est-à-dire pour lesquelles on a définit une notion de dérivée (tangentes, etc...) en chaque point de la variété. Elle définit les notions de formes, de déformations continues sans déchirement, etc... (par exemple, un beignet et une tasse à café sont dites "homéomorphes" car on peut déformer l'un de manière continue et sans le déchirer pour obtenir l'autre, comme s'ils étaient en caoutchouc. Ce sont des variétés "à deux dimensions, connexes et avec un seul trou, non simplement connexes").

La topologie est utilisée partout en mathématiques et donc en physique là où l'on traite de continuité, de "forme" des espaces, etc. En particulier en relativité générale et en cosmologie ("forme" de l'univers).

Attention. C'est un sujet fort abstrait et complexe, souvent très mal expliqué dans la vulgarisation où on trouve souvent explications fausses, confuses, trompeuses ou imprécises et incomplètes sur ces sujets en relativité générale et en cosmologie.

[Deedee81]

Trou blanc
- Relativité générale
Nous reprenons ici la définition de Wikipedia.
Un trou blanc, aussi appelé fontaine blanche, est un objet théorique susceptible d'exister au sens où il peut être décrit par les lois de la relativité générale. Il est décrit par certaines solutions mathématiques de type trou noir dans lequel des géodésiques sont issues d'une singularité gravitationnelle ou d'un horizon. Ils forment ainsi le symétrique par rapport au temps d'un trou noir, puisque dans un cas rien ne peut s'échapper d'un trou noir, et dans l'autre rien ne peut pénétrer dans une fontaine blanche. Techniquement, cela s'exprime par le fait que la singularité gravitationnelle qui existe au sein de ces objets est dans le futur de l'horizon qui l'enveloppe (trou noir), ou dans son passé (trou blanc).

Dans certaines solutions, un trou noir et un trou blanc sont connectés par leur intérieur, formant un "trou de ver", c'est-à-dire un passage à sens unique depuis le trou noir jusqu'au trou blanc (ce passage pouvant être court) et ce même si le trou blanc est situé très loin (voire dans une partie de l'univers non causalement reliée à la nôtre).

Les trous blancs sont considérés comme très spéculatifs pour plusieurs raisons.
- Tout d'abord, ils n'ont jamais été observés, une condition de validation essentielle en science.
- Lorsqu'un trou noir se forme, les conditions sont fort différentes de celles des trous noirs reliés à un trou blanc. Un trou de ver ne peut se former avec les conditions de formations connues (effondrement d'astres massifs ou de coeurs de supernova).
- L'entropie d'un trou blanc (selon les travaux de Bekenstein et Hawking) est très faible et même fortement négative. Cela se traduit par des conditions initiales de formation hautement improbables (plus improbable que de jeter un milliard de fois une aiguille en l'air et qui par chance retomberait pile verticalement et resterait en équilibre).

De plus, les trous de vers posent d'autres problèmes :
- Si le trou blanc se déplace (dans l'espace ordinaire) par rapport au trou noir, il se produit un décalage temporel relativiste entre l'entrée et la sortie du trou de ver, transformant le trou de ver en machine à remonter le temps. Cela conduit à des paradoxes forts (des contradictions) du genre "paradoxe du grand-père".
- Un trou de ver devrait se refermer extrêmement vite (une infime fraction de seconde). Pour le maintenir ouvert il faudrait disposer d'une "énergie exotique", gravitationnellement répulsive, exotique et jamais observée (encore moins produite).

La vulgarisation est friande des trous de ver et trous blanc à cause de leur caractère exotique et spectaculaire. Mais les exposées manquent de clarté dans les explications sur leur nature, leur formation et les difficultés soulevées plus haut. Elle ne précise pas toujours le côté hautement spéculatif. Et on y trouve même parfois beaucoup de bêtises ou de propos plus proches de la science-fiction que de la science proprement dite.

Trou noir
- Relativité générale
En relativité générale, l'espace-temps est doté d'une courbure et les corps libres suivent les géodésiques de cet espace-temps. D'une manière générale, une trajectoire est une courbe dans l'espace-temps de type lumière ou de type temps. Et la courbure de l'espace-temps est due aux objets massifs. Un trou noir est un corps si massif ((plus exactement très compact) que les seuls trajectoires existantes sont dirigées vers le centre du trou noir sous une zone (purement géométrique) appelée "horizon des événements". Ce nom vient du fait qu'aucun événement situé sous l'horizon ne peut être perçu par un observateur extérieur. On dit aussi qu'il y a rupture causale entre l'intérieur et l'extérieur du trou noir.

Les trous noirs sont décrits par des géométries particulières de l'espace-temps, notons la géométrie de Schwartzchild pour les trous noirs statiques et la géométrie de Kerr pour les trous noirs en rotation.

Un théorème de la relativité générale dit qu'un trou noir n'a que trois caractéristiques qui le décrivent entièrement : sa masse, sa rotation, sa charge électrique (théorème de calvitie).

Les mécanismes connus de formation des trous noirs sont dû à l'effondrement d'un astre massif (par exemple lors d'une fusion de deux étoiles à neutrons) ou de l'effondrement du coeur d'une supernova particulièrement massive.

Deux trous noirs peuvent aussi fusionner pour en former un plus gros. Plusieurs fusions ont ainsi été détectées récemment grâce à la forte émission d'ondes gravitationnelles qui en résulte.

On peut classer les trous noirs en trois catégories :
- Les trous noirs stellaires issus des effondrements de corps massifs, de quelques masses solaires
- Les trous noirs super massifs situés au centre de presque toutes les galaxies, résultant de fusions successives au cours de l'évolution galactique. Leur masse est des millions ou des milliards de masses solaires.
- On doit avoir de fait des trous noirs de masse intermédiaires. Mais ceux-ci sont très difficiles à détecter. L'observation des ondes gravitationnelles à permis de détecter plusieurs fusions de trous noirs de ce type et même s'il est un peu prématuré pour s'en assurer (données insuffisantes) il semble que les trous noirs intermédiaires sont nettement plus nombreux qu'estimés et ils pourraient même être une part non négligeable de la matière noire (à confirmer).

On peut aussi ajouter les trous noirs microscopiques originaires par exemple des débuts de l'univers, mais cela reste encore largement spéculatif.

On détecte les trous noirs, outre maintenant par leurs fusions et les ondes gravitationnelles :
- En observant la trajectoire d'étoiles en orbites autour du trou noir (binaires avec trous noirs et trous noirs super massifs).
- En observant le rayonnement très caractéristique du disque d'accrétion, essentiellement pour les trous noirs super massifs, de la matière surchauffée en train de tomber dans e trou noir.

Le sujet des trous noirs est extrêmement vaste tant au niveau théorique qu'au niveau des observations.

Le sujet des trous noirs est extrêmement fréquent en vulgarisation. Il se concentre parfois sur les aspects les plus spectaculaires liés à la relativité ou la gravitation quantique, et tout cela difficile à vulgariser ou très spéculatif. De fait il y a beaucoup d'explications peu claires ou exagérées. Donc, méfiance.

[Deedee81]

Univers
- Cosmologie
Par définition, univers signifie "tout ce qui existe". On parle parfois, mais par abus de langage, de multivers ou d'univers multiples. L'univers observable est la partie de l'univers qui est accessible à l'observation, c'est-à-dire celle où la lumière (ou tout autre forme de signal) a eut le temps de nous parvenir depuis la naissance de l'univers. Au-delà, l'univers dans sa totalité est inconnu (tant par sa taille que par sa géométrie, sa forme, son contenu...). Parfois, dans les modélisations, l'univers au-delà de l'univers observable est supposé identique par simplicité et en l'absence d'informations (tout en sachant que d'autres possibilités existent).

Quand on parle de l'univers à ses débuts, on parle souvent de la partie correspondant maintenant à ce que nous voyons.

Les modèles d'univers utilisent la relativité générale pour l'espace-temps et l'arsenal théorique validé au complet pour le contenu.

Au-delà de ces modèles, pour le tout début de l'univers ou au-delà de l'univers observable, toute modélisation est de la spéculation.

Dans la vulgarisation, prudence. Elle utilise parfois "univers" à tort et à travers sans préciser dans quel sens et sans préciser s'il s'agit de résultats validés (par l'expérience ou l'observation) ou de spéculation, très fréquente dans ce domaine.

Vecteur de force
- Théorie quantique des champs, physique des particules
Voir aussi interactions fondamentales.

Un vecteur de force ou particule vectorielle est une particule transmettant les interactions. Par exemples : l'interaction électromagnétique est transmise par le photon, l'interaction faible par les bosons dit intermédiaires W et Z et l'interaction forte par le gluon. On peut aussi avoir des particules composites comme les mésons qui transmettent l'interaction nucléaire (qui dérive de l'interaction forte).

Le nom vient de la modélisation mathématique des champs, selon la grandeur physique caractérisant du champ, qui peut être scalaire (un simple nombre en chaque point), comme pour le boson scalaire, le Higgs, de spin 0. La grandeur peut être spinorielle (de spineur, on objet mathématique), comme les électrons et bien d'autres, de spin 1/2. Enfin, la grandeur peut être vectorielle : photon, gluon, W, Z, de spin 1. Citons aussi les grandeurs tensorielles comme pour l'hypothétique graviton pour la gravitation, de spin 2.

Vide
Ce terme a plusieurs significations en science.
- Physique classique
Etat de faible pression, ce qu'on obtient après avoir retiré d'un récipient les molécules de gaz (comme l'air souvent). Il est obtenu avec des pompes à vide. Des techniques spéciales permettent d'atteindre des vides très poussés appelé ultravide.
- Astronomie, astrophysique
C'est le vide spatial, le vide interstellaire,... C'est le milieu loin de l'atmosphère des astres. Il contient des gaz extrêmement ténus, divers rayonnements et des particules (neutrinos, vent solaire,...)
- Théorie quantique des champs
Etat de base des champs après quantification correspondant à une absence de particules. Il ne doit pas être confondu avec les précédents, pour trois raisons au moins
- Un champ peut être dans cet état mais pas un autre champ, on peut donc avoir un état de vide quantique même dans un milieu dense.
- Ce n'est qu'un état quantique particulier et les propriétés de cet état se retrouvent aussi dans d'autres états avec particules (comme l'énergie du vide).
- Le vide quantique est une idéalisation car c'est un idéal théorique : son extension spatiale étant infinie, il suffit qu'il y ait une particule quelque part dans l'univers pour que l'état du champ ne soit pas le vide quantique (et l'univers contient beaucoup de particules).

Voir aussi l'expression plus haut : "énergie du vide".

La vulgarisation est friande du vide quantique à cause de certains aspects spectaculaires comme l'énergie du vide et son caractère étrange (comme tout ce qui concerne la mécanique quantique). Mais elle présente souvent mal le sujet, ne précise pas toujours la différence avec le vide classique et pénètre souvent les régions brumeuses de la spéculation sans le préciser.

Vitesse limite
- Relativité restreinte (et générale)
En relativité, il existe une vitesse maximale à toute transmission d'énergie, matière et information appelée vitesse limite, c, et qui vaut environ 300000 kilomètres par seconde (un milliard de kilomètres par heure).

On montre que tout objet sans masse se propage à cette vitesse. La lumière étant sans masse, elle se propage à cette vitesse dans le vide (dans un matériau transparent, les propriétés électriques et magnétiques du matériau ralentissent la lumière). Cela explique l'omniprésence de la lumière tant dans l'histoire de la relativité que dans les expériences (la lumière étant aussi un vecteur idéal d'information).

En relativité, la composition des vitesses n'est pas additive et toute composition de deux vitesses inférieures ou égales à c donne une vitesse inférieure ou égale à c (l'égalité n'est obtenue que si une des deux vitesses initiales est c). Combiné à la contraction des longueurs et la dilatation du temps, cela donne un tout cohérent matérialisé par les transformations de Lorentz.

L'existence d'une telle limite conduit à une géométrie particulière de l'espace-temps, appelé espace-temps, espace ou géométrie de Minkowski. Cette géométrie est sans courbure mais est très différent de la géométrie euclidienne (celle que l'on voit à l'école).

Il existe nombre d'expériences de pensée pour tenter de dépasser c, ces paradoxes étant levés par une application rigoureuse de la relativité restreinte (ce qui peut parfois être compliqué).

Il existe trois cas de vitesses supérieures à c.
- Des vitesses purement "descriptives", qui ne correspondent pas à un transfert de matière, énergie ou information. Il suffit d'ailleurs de diviser une longueur quelconque arbitrairement longue par une durée quelconque très courte. Par exemple pour les ondes on a deux notions de vitesse : la vitesse de phase et la vitesse de groupe. Elles peuvent être supérieure à c dans certaines circonstances mais jamais les deux à la fois. On montre que la vitesse de l'information véhiculée par l'onde (dite vitesse de front d'onde) est égale au minimum de ces deux vitesses. Un autre cas de ce type est la vitesse des particules franchissant une barrière par effet tunnel en mécanique quantique.
- Des vitesses apparentes, suite à une projection sur un plan, par exemple les jets émis par certaines galaxies ont une vitesse apparente supérieure à c car ils sont dirigés vers nous et la mesure est celle du déplacement sur la voute céleste et non le déplacement réel du jet qui reste inférieur à c.
- La vitesse d'approche entre deux corps se rapprochant l'un de l'autre. Il ne s'agit pas de la vitesse au sens précédent, la vitesse d'un corps mais de la diminution de la distance entre deux corps, qui ne transmet aucune information d'un corps à l'autre.

La vulgarisation présente souvent des expériences de pensée et des paradoxes en relativité restreinte. Ces exposés sont souvent corrects mais des erreurs, des confusions ou des imprécisions peuvent se glisser, prudence.

Vecteur d'état
Voir état.

[Deedee81]

Analogies

La dualité onde - corpuscule
Ce n'était pas une analogie au départ mais un principe posé par Bohr au début de la mécanique quantique pour essayer de la comprendre (les particules se comportant selon une telle dualité comme le montrait par exemple l'électromagnétisme ondulatoire et le comportement corpusculaire de l'effet photoélectrique mit en évidence par Einstein). Bohr le remplaça par la suite par une dualité cinématique-dynamique plus juste, mais c'est la première qui est resté célèbre.

Elle est utilisée souvent comme analogie car les corpuscules et les ondes sont faciles à visualiser (physique classique).

Limites
- Il ne faut pas voir une particule quantique comme un corpuscule + une onde (même s'il existe une interprétation de ce type : la théorie de l'onde pilote de de Broglie-Bohm. Les corpuscules en question se comportent comme des variables cachées et pas du tout de manière classique). Il est mieux de parler de comportements corpusculaires dans certaines situations (typiquement les interactions) et ondulatoires dans d'autres (la propagation).
- Lorsqu'il y a plusieurs particules, l'analogie devient beaucoup moins correcte.
- Nombre de propriétés des particules comme le spin ou l'intrication n'entrent pas facilement dans le moule de l'analogie.
- L'analogie est fortement qualitative et peu quantitative.

La vulgarisation précise rarement ces limites et ne dépasse guère le qualitatif. La mécanique quantique est il est vrai notoirement difficile à vulgariser.

La toile espace-temps
Parfois on représente l'espace-temps courbe en relativité générale comme une toile ou une membrane en caoutchouc où les corps massifs comme les étoiles déforment la toile en y formant un creux. UN objet suivant (sur la toile) une trajectoire (initialement rectiligne) vers l'étoile voit sa trajectoire courbée de par la déformation de la toile. Un trou noir y est représenté comme un puits formé dans la toile.

Limites
- Cela donne un peu l'impression que la gravité est dirigée vers le bas (d'où la déformation) alors que la toile est tout l'espace-temps, il n'y a pas de "bas" sauf... dans l'image. Cette impression n'est généralement pas trop dérangeante et les confusions rares.
- La toile est à deux dimensions, l'espace à trois dimensions. Pire, ce qui donne la gravité est la courbure de l'espace-temps à quatre dimensions, pas l'espace seul. Le temps est indispensable dans cette modélisation. Par rapport à la courbure de l'espace seul, les trajectoires de l'analogie sont fausses. Prenons l'exemple du système Terre-Lune. L'espace est peu courbé (sinon ça se verrait, les rayons lumineux seraient déviés et la vue du ciel très déformée). La Lune suit une géodésique (quasi) circulaire, ce qui est irréaliste avec l'espace seul si peu courbé.
- L'analogie donne l'impression d'un arrière-plan, d'une scène de théâtre préexistante sur laquelle les objets sont déposés. Mais c'est faux en relativité générale (on parle d'indépendance à l'arrière-plan). C'est il est vrai difficile à éviter dans une visualisation.
- Notons que pour le trou noir de Schwartzchild, on peut définit un potentiel qui donne une image proche de l'analogie, mais c'est à éviter car peu utile et trompeur (cela ne marche pas du tout comme la toile déformée).

La vulgarisation utilise souvent cette analogie mais sans en expliquer les limites, ce qui peut fortement induire en erreur.

Le courant électrique vu comme un fluide (de l'eau par exemple)
Cela permet d'illustrer certaines propriétés comme la conservation de la charge, le courant et la tension.

Limites
Mais ça ne va guère plus loin. Le courant électrique n'est pas un fluide. Il serait vain de pousser l'analogie trop loin. Un exemple simple : la viscosité des fluides ne se comporte pas comme la résistance électrique.

Cette analogie n'est pas très fréquemment utilisée, mais des confusions chez le lecteur ont déjà été observées !

L'électricité et magnétisme comme les deux faces d'une pièce
Analogie très grossière qui illustre juste que l'électricité et le magnétisme sont indissolublement liés et des manifestations du champ électromagnétique. Si un observateur voit le côté pile, pour la même pièce, un autre verra le côté face. La décomposition en champs électrique et magnétique dépend de l'observateur.

L'analogie s'arrête là.

Les expériences de pensée
Les expériences de pensée ne sont pas une analogie en soi, c'est une illustration d'une théorie, mais elles sont souvent utilisées comme les analogies pour décrire la théorie. C'est une expérience imaginaire (parfois réellement réalisée) simplifiée à l'extrême pour faire ressortir certains aspects de la théorie. La description respecte les règles et postulats de la théorie pour voir où elle conduit.

Les expériences de pensée sont très utilisées par la vulgarisation, en particulier pour la relativité restreinte et la mécanique quantique. Les explications sont souvent correctes mais aussi souvent incomplètes ou imprécises, ce qui peut induire en erreur. Elle met rarement en avant le fait qu'il s'agit d'une représentation imagée du raisonnement théorique et non une véritable expérience.

Ce dernier point est très dommageable à tel point que certains ont cru par exemple pouvoir réfuter la relativité restreinte avec des expériences de pensée, ce qui est une absurdité puisque ce n'est pas de vraies expériences et elles sont construites pour être en accord avec la théorie. Les contradictions trouvées résultent toujours d'erreurs de raisonnement ou d'une mise en place des conditions de l'expérience de pensée qui violent dès le départ la théorie.

Le cas extrême (un cas vécu) étant sans doute celui qui "démontrait" que la relativité restreinte est fausse en partant de l'addition non relativiste des vitesses !!!! (ce qui montre seulement que l'addition des vitesses n'est pas valable en relativité restreinte).

L'univers vu comme une bulle
Pour visualiser l'expansion de l'univers, on représente parfois l'univers comme une bulle. Les galaxies sur la bulle s'éloignant les unes des autres au fur et à mesure que la bulle gonfle.

Limites
- La surface de la bulle correspond à l'univers, pas l'intérieur.
- La surface est à deux dimensions alors que l'espace est à trois dimensions.
- Un espace sphérique de courbure moyenne constante est possible pour l'univers, mais ce n'est qu'une possibilité et qui ne correspond pas aux observations (courbure spatiale nulle).
- Ici la bulle vue comme la surface d'une boule à trois dimensions (on dit que la variété à 2 dimensions est plongée dans l'espace à 3 dimensions), mais la géométrie univers n'a pas besoin d'être plongée, l'univers existe en soi.

Il est vrai que la visualisation est difficile et toute visualisation a ses limites et ses choix arbitraires (analogie du pain au raisin qui gonfle, univers de pacman qui s'agrandit,...) Il faut juste être conscient des limites et des choix (qui ne sont pas toujours précisé dans vulgarisation). Et bien sûr, il faut être prudent.

[Deedee81]

Références

Qu'est-ce qu'une théorie
Méthode scientifique
Vulgarisation