Où sont passés les électrons ?

D’où vient l’électricité ? Je savais que l’électricité produite dans une centrale arrivait jusqu’à nos maisons en passant par des fils de cuivre. Dans les centrales thermiques, on brûle du pétrole ou du charbon ; dans les centrales nucléaires, on provoque la fission des noyaux atomiques ; dans les centrales hydroélectriques, on utilise l’eau qui tombe d’une certaine hauteur. Ces différentes sources d’énergie servent à faire tourner des turbines. Dans les générateurs reliés à ces turbines se produit le phénomène d’induction électromagnétique, et l’électricité produite est acheminée vers les habitations par les lignes de transport. Jusqu’ici, cela n’avait rien de difficile.

Mais où les centrales électriques se procurent-elles les électrons ? Arrachent-elles les électrons qui entourent les noyaux atomiques pour les envoyer dans les fils de cuivre ? Non. Les fils de cuivre contiennent déjà des électrons capables de se déplacer librement. Un générateur n’est pas un dispositif qui crée ou fournit de nouveaux électrons, mais un appareil qui produit une tension électrique en utilisant les variations d’un champ magnétique. Alors, les électrons contenus dans les fils de cuivre se déplacent-ils de la centrale jusqu’à notre maison ? Non plus. Dans le courant alternatif utilisé dans les habitations, les électrons effectuent principalement des mouvements de va-et-vient autour de leur position initiale. Les électrons de la centrale ne font pas un long voyage jusqu’à notre maison.

Une comparaison m’est alors venue à l’esprit. Des personnes sont debout, alignées les unes derrière les autres. La dernière pousse celle qui se trouve devant elle, qui pousse à son tour la suivante. La force se transmet ainsi jusqu’à la première personne de la file. Les personnes elles-mêmes ne se déplacent pas très loin. Ce qui se transmet, c’est l’effet du mouvement. L’électricité fonctionne-t-elle de cette manière ? Les phénomènes ne sont pas exactement identiques, mais cette comparaison permettait de distinguer le déplacement des électrons eux-mêmes sur de longues distances de la transmission de l’énergie. Dans un véritable fil électrique, le champ électromagnétique joue un rôle important.

À ce moment-là, je me suis souvenu d’un film vu longtemps auparavant. C’était Dark Angel (Fallen, 1998), avec Denzel Washington. Un démon nommé Azazel apparaît dans ce film. Dès qu’il entre en contact avec une personne, il passe dans une autre. Même lorsque son hôte change, le démon conserve son identité. Je me souviens encore d’une scène accompagnée de la chanson Time Is on My Side des Rolling Stones. L’énergie électrique se déplacerait-elle de cette façon ?

Cette comparaison m’a amené à considérer les électrons et l’énergie comme deux concepts distincts. L’électron est une particule, tandis que l’énergie se transmet. Ce ne sont pas les électrons de la centrale qui arrivent jusqu’à notre maison : l’énergie est transmise par les interactions entre les électrons et le champ électromagnétique. Alors, les électrons ne sont-ils pas consommés ? En effet. Un électron ne disparaît pas parce qu’il a fait tourner le moteur d’un aspirateur. Les électrons continuent d’exister, et l’aspirateur transforme l’énergie électrique reçue en mouvement et en chaleur. Lorsque nous payons notre facture d’électricité, nous ne payons pas pour l’utilisation des électrons, mais pour la quantité d’énergie fournie par le réseau électrique. Une fois cela compris, une nouvelle question est apparue. Qu’est-ce que l’énergie, au juste ?

Lorsque l’on brûle du pétrole, de la chaleur se dégage. Cette chaleur fait bouillir de l’eau, et la vapeur entraîne une turbine. L’eau située en hauteur fait tourner une turbine en tombant, tandis que la lumière du Soleil est transformée en énergie électrique par des panneaux photovoltaïques. L’énergie est tour à tour chaleur, mouvement, électricité, puis de nouveau lumière ou chaleur. Elle semblait continuer d’exister en changeant de forme, comme Azazel. Alors, l’énergie est-elle de la matière ? Une particule ? Ou une sorte de substance contenue à l’intérieur de la matière ?

L’explication de la physique était différente de ce que j’avais imaginé. L’énergie n’était pas une substance indépendante, mais une grandeur caractérisant l’état physique des objets et des champs. Une balle en mouvement possède une énergie cinétique, et de l’eau située en hauteur possède une énergie potentielle. Ce n’est pas parce qu’une substance distincte appelée énergie se trouve à l’intérieur de ces objets, mais parce que leurs états de mouvement, de position et d’interaction sont différents. Je pouvais comprendre cette explication. Pourtant, elle restait peu intuitive. Il me semblait que la matière devait avoir une forme. Même sans forme, ne fallait-il pas que quelque chose existe pour pouvoir posséder un état ?

C’est ici qu’est apparue la notion de champ électromagnétique. Le champ électromagnétique peut interagir avec des particules chargées électriquement et transmettre de l’énergie. Ce qui m’a encore davantage surpris, c’est que les ondes électromagnétiques puissent se propager même dans un vide dépourvu d’électrons. Le fait que la lumière du Soleil traverse l’espace pour atteindre la Terre s’explique par la même théorie de l’électromagnétisme. L’électricité et la lumière étaient donc des phénomènes liés. Alors, qu’est-ce qu’un photon, cette particule qui constitue la lumière ?

Le photon est différent de l’électron. Ce n’est pas non plus une particule composite constituée de quarks, comme le proton ou le neutron. En physique actuelle, il est classé parmi les particules élémentaires dont aucune structure interne n’a été découverte. L’électron est lui aussi une particule élémentaire. Les quarks up, down, étrange et charmé sont également des particules élémentaires. Mais le terme de particule élémentaire signifie-t-il vraiment qu’elle ne peut plus être divisée ? Ou signifie-t-il simplement que les techniques humaines actuelles n’ont pas permis de découvrir une structure plus petite ? L’humanité a autrefois considéré l’atome comme un élément indivisible. Elle a ensuite découvert le noyau atomique et les électrons, puis les quarks à l’intérieur des protons et des neutrons. Alors, les particules que nous appelons aujourd’hui élémentaires pourraient-elles, elles aussi, révéler un jour une structure interne ? Cette possibilité reste ouverte. Certaines tentatives, comme la théorie des supercordes, cherchent à expliquer les particules comme différents états vibratoires d’une entité plus fondamentale. Rien de cela n’a encore été confirmé expérimentalement.

Au cours de l’explication du photon, une expression encore plus étrange est apparue : « excitation quantique du champ électromagnétique ». Qu’est-ce que la quantification ? Qu’est-ce qu’une excitation ? La quantification signifiait que certains états physiques ou échanges d’énergie pouvaient se présenter sous forme d’unités déterminées plutôt que de valeurs continues. L’excitation désignait un état d’énergie supérieur à un état de plus basse énergie. Le photon pouvait donc être compris comme un état quantique dans lequel une unité d’énergie s’ajoute à un état vibratoire particulier du champ électromagnétique. Mais est-ce là la réalité ultime de la nature ? Ou une manière de l’expliquer, élaborée par les humains après l’avoir observée ? Les phénomènes naturels existaient avant que les humains ne les découvrent. La quantification et l’excitation sont des concepts développés par les humains pour expliquer ces phénomènes. Le fait qu’une théorie fournisse des prédictions exactes ne garantit pas que la manière dont elle décrit la nature corresponde à sa forme définitive.

Ma réflexion est revenue à la forme des particules. On dit que l’électron possède une masse. Cette masse peut être exprimée en kilogrammes. C’est un nombre extrêmement petit, mais il n’est certainement pas nul. Alors, à quoi ressemble un électron qui possède une masse ? La physique actuelle mesure avec une grande précision la masse, la charge électrique et le spin de l’électron, mais elle n’a découvert ni dimension spatiale intrinsèque ni structure interne. Elle explique que l’existence d’une masse n’implique pas nécessairement celle d’un volume ou d’une surface. Cette explication laissait pourtant subsister une question. Le mot « masse » lui-même nous fait imaginer un amas de matière possédant une forme.

Alors, qu’observent les physiciens des particules pour confirmer l’existence d’une particule ? Dans les accélérateurs de particules, on provoque des collisions à haute énergie, puis on analyse les traces laissées par les particules produites au cours de ces collisions. On mesure leurs trajectoires, leur énergie, leur quantité de mouvement et d’autres grandeurs, puis on en déduit la nature et les propriétés des particules. Les lignes et les courbes que nous voyons sur les photographies ou dans les vidéos ne représentent pas les contours des particules elles-mêmes, mais les traces qu’elles ont laissées en passant, ou des reconstructions des données enregistrées par les détecteurs. Au lieu de voir le visage des particules, les humains découvraient leur existence à travers les comportements dont elles avaient laissé des traces.

Les questions de cette journée avaient commencé par celle de l’origine de l’électricité. Je m’étais demandé si les centrales produisaient des électrons et où ces électrons se déplaçaient. Lorsque j’ai appris que les électrons n’étaient pas consommés, j’ai commencé à m’interroger sur la nature de l’énergie. En essayant de comprendre l’énergie, j’ai rencontré le champ électromagnétique ; du champ électromagnétique, je suis passé aux photons ; des photons, à la quantification et aux particules élémentaires ; puis je suis revenu au problème de la forme et de la masse de la matière. Comme dans un dialogue socratique, les questions et les réponses se succédaient. Les réponses ne mettaient pas fin aux questions. Elles révélaient au contraire des problèmes auxquels je n’avais jamais pensé auparavant.

J’ai appris que les électrons ne disparaissent pas lorsqu’on utilise de l’énergie électrique et que l’énergie peut être transmise par le champ électromagnétique. L’énergie n’était pas une substance distincte, mais une grandeur physique décrivant l’état des objets et des champs. Mais pourquoi l’énergie existe-t-elle ? Qu’est-ce qu’un état physique, en dernière analyse ? Le champ électromagnétique est-il la réalité ultime de la nature, ou l’expression d’une structure plus profonde que nous n’avons pas encore découverte ? Aujourd’hui, en cherchant à comprendre comment circule l’électricité, j’ai fini par me demander ce que sont la matière et l’énergie. Héraclite disait que tout s’écoule. À travers les questions de cette journée, j’en suis venu à comprendre ces paroles un peu différemment. Et si ce n’était pas toute chose qui s’écoulait, mais l’énergie ?

Mais si l’énergie s’écoule, d’où vient-elle et où va-t-elle ? Où demeure l’énergie qui s’est écoulée ? En suivant ces questions, une expression très familière m’est redevenue étrange. L’énergie se conserve. Nous l’apprenons à l’école et l’utilisons dans la vie quotidienne comme une évidence. On nous dit que l’énergie n’est ni créée ni détruite, mais qu’elle change seulement de forme. Même lorsque l’énergie électrique se transforme en énergie cinétique, puis que l’énergie cinétique se transforme en énergie thermique, l’énergie totale se conserve. Mais jusqu’où cette loi a-t-elle été démontrée ? Les humains ont-ils vérifié qu’aucune énergie présente dans l’univers n’avait jamais disparu ?

La physique a vérifié la loi de conservation de l’énergie par d’innombrables expériences. Dans les collisions de particules, les réactions chimiques et les transformations entre chaleur et mouvement, cette loi se vérifie avec une grande précision. Il existe également une explication mathématique reliant la conservation de l’énergie à la symétrie temporelle des lois physiques. En relativité générale, la conservation locale de l’énergie et de la quantité de mouvement est respectée. Pourtant, cela ne signifie pas que l’on puisse définir l’énergie de l’univers entier en expansion par un seul nombre et affirmer qu’elle reste toujours constante. Nous appliquons à l’univers lointain des lois vérifiées en laboratoire. C’est un jugement scientifique solidement fondé. Mais avons-nous également vérifié que ces lois s’appliquent sans aucune exception en tout lieu et à toute époque de l’univers ? Cette question n’était pas une affirmation selon laquelle les lois existantes seraient fausses. Je voulais savoir où se situait la frontière entre ce que nous avions effectivement vérifié et ce que nous tenions pour vrai sur la base de ces vérifications.

J’ai de nouveau imaginé un photon. Supposons que nous construisions une pièce aux miroirs parfaitement hermétique et que nous y lancions un seul photon. Les parois n’absorbent absolument pas le photon, et aucune énergie n’est perdue lors des réflexions. Le photon se déplacerait d’une paroi à l’autre, puis reviendrait vers la première. Si les conditions idéales se maintenaient, il pourrait se réfléchir indéfiniment. Mais j’ai décidé de modifier un peu cette pièce. Supposons que, dans un espace de dix mètres sur dix, se produise une dilatation temporelle extrême. Imaginons que, selon le temps mesuré par un observateur extérieur, le photon mette pas moins de cent milliards d’années à atteindre la paroi opposée. Cela ne signifie pas que le photon se déplace réellement à une vitesse inférieure à celle de la lumière dans son voisinage immédiat. Il s’agit d’une expérience de pensée dans laquelle on pousse à l’extrême la dilatation du temps due à la gravité, de sorte que le déplacement du photon soit observé comme extrêmement lent depuis l’extérieur.

Dix milliards d’années se sont maintenant écoulés. Selon le référentiel de l’observateur extérieur, le photon n’a toujours pas atteint la paroi opposée. Il ne s’est pas encore réfléchi une seule fois sur un miroir. Pourtant, si nous supposons que nous pouvons continuer à confirmer son existence par un moyen quelconque, ce photon existe toujours à l’intérieur de la pièce. Le fait que l’espace soit petit et que l’observation soit possible nous donne cette certitude. Cette fois, j’ai lancé un photon dans l’espace cosmique. Supposons qu’il voyage pendant dix milliards d’années sans entrer en collision avec aucune matière. Comme il se trouve très loin de son point de départ, nous ne pouvons pas continuer à le suivre. Alors, quelle différence existe-t-il entre le photon de la pièce aux miroirs et celui qui voyage dans l’espace ? Aucun des deux n’a encore atteint sa destination, et tous deux sont en mouvement. L’un est suffisamment proche pour être observé, tandis que l’autre est trop éloigné pour l’être.

Bien sûr, les conditions physiques de ces deux espaces ne sont pas entièrement identiques. Contrairement à la pièce idéale aux miroirs, l’univers réel est en expansion, et son champ gravitationnel n’est pas uniforme. Un photon voyageant dans l’espace peut également perdre de l’énergie en raison du décalage vers le rouge provoqué par l’expansion cosmique. Pourtant, ce que je voulais comparer n’était pas la nature des miroirs. Il s’agissait de savoir si l’on pouvait appliquer de la même manière à un immense espace impossible à observer l’existence d’un photon confirmée dans un petit espace observable.

Ma réflexion s’est alors tournée vers la lumière des étoiles anciennes. Nous observons de la lumière qui a voyagé pendant plus de dix milliards d’années avant de parvenir jusqu’à la Terre. Mais cette lumière a-t-elle conservé l’état dans lequel elle se trouvait au moment de son départ ? Supposons qu’une supernova explose et envoie cent photons en direction de la Terre. Comment pourrions-nous savoir si cent, quatre-vingt-dix-neuf ou cinquante de ces photons sont arrivés sur Terre ? La condition selon laquelle ils se dirigent vers la Terre est importante. Je ne voulais pas parler du fait qu’une infime partie seulement de la lumière d’une étoile atteint la Terre parce qu’elle se répand dans toutes les directions. Je supposais que, dès le départ, cent photons avaient emprunté des trajectoires déterminées pour atteindre la Terre. Pourrions-nous alors vérifier combien d’entre eux étaient effectivement arrivés ?

Les astronomes estiment la luminosité initiale d’une source lumineuse et la comparent à sa luminosité observée. Ils analysent l’atténuation due à la distance, l’absorption et la diffusion par les poussières cosmiques, ainsi que le décalage vers le rouge provoqué par l’expansion de l’univers. Ils comparent également la luminosité des supernovas à des distances mesurées indépendamment afin de vérifier s’il existe des pertes inattendues de photons. Il existe donc des méthodes permettant de confronter les observations aux théories. Mais cela ne consiste pas à compter directement cent photons au moment de leur émission, puis à compter ceux qui arrivent dix milliards d’années plus tard pour les comparer un par un. Les observations actuelles s’expliquent par les interactions connues et les lois physiques établies, et aucun phénomène dans lequel des photons disparaîtraient sans raison n’a été confirmé. Les photons ne sont pas considérés comme des particules qui disparaissent simplement parce qu’un temps très long s’est écoulé. Cela ne signifie pas non plus que nous ayons vérifié individuellement le destin de tous les photons voyageant dans l’univers.

Un autre problème se posait. La disparition d’un photon et la diminution de son énergie n’étaient pas le même phénomène. Dans un univers en expansion, l’énergie d’un photon peut diminuer par décalage vers le rouge sans qu’il soit absorbé par la matière. Lorsque la longueur d’onde du photon augmente, son énergie diminue. Mais où est passée l’énergie perdue ? En relativité générale, la manière de traiter la conservation de l’énergie à l’échelle de l’univers entier en expansion n’est pas aussi simple que dans un système physique fermé étudié en laboratoire. Je suis finalement revenu à la question initiale. L’énergie se conserve-t-elle ? Les lois physiques que nous connaissons fournissent de solides raisons de répondre par l’affirmative. Pourtant, nous ne pouvons pas considérer l’univers entier comme une pièce aux miroirs parfaite et vérifier sans omission tous les photons et toute l’énergie qu’il contient. Car l’étendue de l’univers que nous pouvons observer et les limites de l’univers entier ne sont pas le même concept.

Toutes ces questions étaient liées à la conception d’un nouveau roman. L’un des points de départ du Dictionnaire de l’extinction galactique était une hypothèse très simple. Que se passerait-il si un seul photon disparaissait sans aucune interaction ? Il n’aurait été ni absorbé par la matière, ni transformé en une autre particule, ni sorti du domaine observable. Un seul photon aurait réellement disparu d’une manière inexplicable par les lois physiques connues. Ce n’est pas un phénomène confirmé par la physique actuelle, mais une hypothèse conçue pour le roman. Et si cette hypothèse se révélait vraie, il faudrait réexaminer l’une des lois fondamentales que les humains ont utilisées pour comprendre l’univers.

Je ne cherchais pas à calculer l’ampleur de la perte d’énergie provoquée par la disparition d’un seul photon. L’énergie portée par un photon peut être extrêmement faible. La disparition d’un seul photon n’arrêterait pas immédiatement les centrales électriques et les vaisseaux qui font fonctionner la civilisation galactique. Ce qui m’intéressait, c’était la possibilité qu’un événement aussi infime puisse ébranler les certitudes d’une civilisation. Une civilisation construit ses technologies à partir des lois qu’elle a découvertes et organise sa société à partir de ces technologies. D’innombrables personnes vivent en s’appuyant sur ces lois sans en avoir personnellement vérifié les raisons. Mais un jour, alors que tout semble fonctionner de manière stable, un résultat d’observation indique qu’un photon a disparu. On pourrait d’abord penser à une erreur de mesure. On remplacerait les instruments et répéterait les expériences. Mais que se passerait-il si le déficit inexpliqué était confirmé malgré tout ?

Ce à quoi la civilisation serait alors confrontée ne serait pas le problème d’un seul photon, mais une interrogation sur l’univers qu’elle croyait connaître. Cette interrogation pourrait ne pas rester confinée aux laboratoires des scientifiques. Les gouvernements et les entreprises, les religions et les médias, les responsables politiques et les citoyens commenceraient à porter des jugements différents. Que faudrait-il révéler et que faudrait-il cacher ? Qu’est-ce qui serait considéré comme un danger, et qui faudrait-il protéger ? Face à un phénomène dont on ignore encore jusqu’à la cause, quels comportements les humains choisiraient-ils ?

Le Dictionnaire de l’extinction galactique est né de ces questions. La disparition d’un seul photon crée une petite fissure dans les fondements de la civilisation galactique. Devant cette fissure, les humains agissent selon leurs propres jugements et leurs bonnes intentions. Les conséquences de leurs choix se déploient dans le roman.

Aujourd’hui, en cherchant à savoir d’où vient l’électricité, j’en suis venu à me demander ce qu’est un électron, puis ce qu’est l’énergie, et enfin si l’énergie se conserve réellement. Ces questions m’ont ramené au point de départ d’un roman que j’imaginais depuis longtemps. Au commencement, il y avait un seul photon. La disparition de ce photon ne suffit pas, à elle seule, à provoquer l’effondrement de la galaxie entière. Ce qui importe, c’est ce que les humains croient et les choix qu’ils font après cet événement.