La réponse à la question persistante de la plus petite chose dans l’univers a évolué avec l’humanité. Les gens pensaient autrefois que les grains de sable étaient les blocs de construction de ce que nous voyons autour de nous. Puis on a découvert l’atome, que l’on croyait indivisible, jusqu’à ce qu’il soit divisé pour révéler des protons, des neutrons et des électrons à l’intérieur. Ceux-ci aussi semblaient être des particules fondamentales, avant que les scientifiques ne découvrent que les protons et les neutrons sont constitués de trois quarks chacun.

« Cette fois, nous n’avons pas été en mesure de voir la moindre preuve qu’il y a quelque chose à l’intérieur des quarks », a déclaré le physicien Andy Parker. « Avons-nous atteint la couche la plus fondamentale de la matière ? »

Et même si les quarks et les électrons sont indivisibles, a dit Parker, les scientifiques ne savent pas s’ils sont les plus petits morceaux de matière qui existent, ou si l’univers contient des objets encore plus minuscules.

Parker, professeur de physique des hautes énergies à l’université de Cambridge en Angleterre, a récemment présenté une émission spéciale sur la chaîne britannique BBC Two intitulée « Horizon : How Small is the Universe ? »

Cordes ou points ?

Dans les expériences, les minuscules particules comme les quarks et les électrons semblent agir comme des points de matière uniques sans distribution spatiale. Mais les objets ponctuels compliquent les lois de la physique. Parce que vous pouvez vous rapprocher infiniment d’un point, les forces qui agissent sur lui peuvent devenir infiniment grandes, et les scientifiques détestent les infinis.

Une idée appelée théorie des supercordes pourrait résoudre ce problème. Cette théorie postule que toutes les particules, au lieu d’être ponctuelles, sont en fait de petites boucles de cordes. Rien ne peut s’approcher infiniment d’une boucle de ficelle, car il sera toujours légèrement plus proche d’une partie que d’une autre. Cette « faille » semble résoudre certains de ces problèmes d’infinité, ce qui rend l’idée attrayante pour les physiciens. Pourtant, les scientifiques n’ont toujours pas de preuve expérimentale que la théorie des cordes est correcte.

Une autre façon de résoudre le problème du point est de dire que l’espace lui-même n’est pas continu et lisse, mais qu’il est en fait constitué de pixels discrets, ou grains, parfois appelés mousse d’espace-temps. Dans ce cas, deux particules ne pourraient pas se rapprocher infiniment l’une de l’autre car elles devraient toujours être séparées par la taille minimale d’un grain d’espace.

Une singularité

Un autre prétendant au titre de plus petite chose de l’univers est la singularité au centre d’un trou noir. Les trous noirs se forment lorsque la matière est condensée dans un espace suffisamment petit pour que la gravité prenne le dessus, entraînant la matière vers l’intérieur et vers l’intérieur, pour finalement se condenser en un point unique de densité infinie. Du moins, selon les lois actuelles de la physique.

Mais la plupart des experts ne pensent pas que les trous noirs soient vraiment infiniment denses. Ils pensent que cet infini est le produit d’un conflit inhérent entre deux théories régnantes – la relativité générale et la mécanique quantique – et que lorsqu’une théorie de la gravité quantique pourra être formulée, la véritable nature des trous noirs sera révélée.

« Mon hypothèse est qu’ils sont bien plus petits qu’un quark, mais je ne crois pas qu’ils aient une densité infinie », a déclaré Parker à LiveScience. « Plus probablement, ils sont peut-être un million de millions de fois ou même plus que cela plus petits que les distances que nous avons vues jusqu’à présent. »

Cela ferait des singularités à peu près de la taille des supercordes, si elles existent.

La longueur de Planck

Les supercordes, les singularités, et même les grains de l’univers pourraient tous s’avérer être de la taille de la « longueur de Planck ».

Une longueur de Planck est de 1,6 x 10^-35 mètres (le nombre 16 précédé de 34 zéros et d’un point décimal) – une échelle incompréhensiblement petite qui est impliquée dans divers aspects de la physique.

La longueur de Planck est de loin trop petite pour qu’un instrument puisse la mesurer, mais au-delà, on pense qu’elle représente la limite théorique de la plus courte longueur mesurable. Selon le principe d’incertitude, aucun instrument ne devrait jamais être en mesure de mesurer quoi que ce soit de plus petit, car à cette distance, l’univers est probabiliste et indéterminé.

Cette échelle est également considérée comme la ligne de démarcation entre la relativité générale et la mécanique quantique.

« Elle correspond à la distance à laquelle le champ gravitationnel est si fort qu’il peut commencer à faire des choses comme créer des trous noirs à partir de l’énergie du champ », a déclaré Parker. « À la longueur de Planck, nous nous attendons à ce que la gravité quantique prenne le dessus. »

Peut-être que toutes les plus petites choses de l’univers ont à peu près la taille de la longueur de Planck.

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