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Introduction.
Notre objectif est de présenter quelques nouvelles perspectives en astrophysique, cosmologie et théorie des particules élémentaires.
Les idées fondamentales sont relativement simples. Elles peuvent s'exprimer sous trois formes différentes :
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Dans un langage spécialisé.
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De manière schématique.
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De façon ordinaire.
On peut écrire des textes ordinaires sur la science selon différentes méthodes.
...En général, l'auteur de livres ordinaires consacrés à la science propose de belles images, afin d'exciter l'imagination du lecteur. Mais, à la fin du livre, il n'a pas vraiment progressé.
En utilisant des images, entendons par là la géométrie, qui a envahi considérablement la physique depuis un siècle, on peut offrir une nourriture bien meilleure pour les esprits.
...Une conversion analogique adéquate permet d'évoquer les objectifs principaux et les chemins d'une théorie. En passant, le lecteur acquiert, à la fin, une connaissance solide en géométrie plane.
Newton et anti-Newton.
...Les structures cosmiques sont organisées par une force fondamentale : la gravitation. Si les objets du cosmos ne s'attiraient pas mutuellement, rien ne se produirait là-bas. Les galaxies n'auraient pas pu se former, ni les étoiles, ni les planètes. Nous ne serions pas là pour en parler. Par exemple, si la force gravitationnelle était répulsive, elle empêcherait les objets de se rapprocher. L'univers resterait informe, flasque, ce qui serait mortellement ennuyeux.
La loi d'attraction est la loi de Newton :
(1)
G est la constante gravitationnelle. m et m' sont deux masses et d est la distance qui les sépare.
...Comme cela sera montré plus loin, notre modèle implique des « masses normales m » et quelque chose que nous appelons « masse fantôme m ». Les galaxies, les étoiles, les planètes, les êtres humains, les chats, sont faits de masse normale. Personne ne sait si des chats fantômes existent.
...Le point principal est que la matière et la matière fantôme interagissent uniquement par la force gravitationnelle. En dehors de cela, elles s'ignorent mutuellement. Par exemple, elles ne peuvent pas échanger de photons, de sorte que les objets fantômes sont invisibles depuis notre branche de l'Univers. À l'inverse, si un « observateur fantôme » existait, il ne pourrait pas nous voir, ni nos galaxies, ni nos étoiles, etc...
Le schéma d'interaction est le suivant :
(2)
Deux masses ordinaires s'attirent mutuellement, conformément à la loi classique de Newton.
Même chose pour deux masses fantômes.
Mais une masse ordinaire et une masse fantôme se repoussent mutuellement, selon une sorte de « loi d'anti-Newton » :
(3)
...Nous pourrions placer deux ensembles de points massiques, correspondant aux masses ordinaires et aux masses fantômes, dans un ordinateur, les laisser interagir, et observer ce qui se passe. Mais le physicien objecterait immédiatement :
- Votre matière fantôme a une masse négative m* < 0 !
En effet, si l'on inverse le signe d'une masse dans la loi de Newton :
(5)
le signe de la force change.
...Mais si l'on change le signe des deux masses, la force reste inchangée. On serait donc tenté de conclure que, dans ce modèle, nous avons simplement deux types de masses : une positive et une négative, puisqu'il prend en compte le schéma de force proposé.
...Mais une masse négative m* < 0 correspond à une énergie m*c² < 0, ce qui a été étudié en premier par le mathématicien français Jean-Marie Souriau dans son ouvrage :
Structure des systèmes dynamiques (première édition en France, 1973, pages 197 à 200) : Éditions Birkhäuser, 1997.
...Les objets à énergie négative posent un problème sérieux. En effet, que se passe-t-il lorsqu'ils entrent en collision avec un objet à énergie positive (masse positive) ?
...Cela ne correspond pas à l'annihilation matière-antimatière. Comme cela sera montré dans Physique géométrique B, 4, l'antimatière située dans notre univers possède une masse positive et une énergie positive. Leur rencontre donne des photons. Les deux photons produits portent la quantité totale d'énergie des particules de matière et d'antimatière avant leur collision. Si deux objets à énergies opposées pouvaient se rencontrer, entrer en collision, le résultat serait tout à fait différent. Cela donnerait... rien.
...Au tout début de l'univers, selon le Modèle standard, la matière et l'antimatière entrent fréquemment en collision, produisant des photons à haute énergie. Mais, à l'inverse, ces photons à haute énergie donnent des paires de particules matière-antimatière. Ces deux processus s'équilibrent dans l'univers primitif. Mais si l'univers avait contenu des masses positives et négatives, des particules à énergie positive et des particules à énergie négative, les deux sous-ensembles se seraient simplement annulés mutuellement. Si la proportion initiale avait été de cinquante pour cent, tout l'univers aurait disparu.
C'est pourquoi les physiciens sont si sceptiques à l'égard des particules à masse négative.
...C'est pourquoi il est nécessaire de présenter schématiquement le modèle. Comme cela sera montré plus loin, « cela fonctionne comme si la matière fantôme avait une masse négative ». Pour aborder ce paradoxe apparent, nous devons apprendre un peu de géométrie.
Version originale (anglais)
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Introduction.
Our purpose is to present some new insights on astrophysics, cosmology and elementary particles theory.
The underlying ideas are relatively simple. They can be expressed into three different forms :
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In a specialist's language.
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Schematically.
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In an ordinary way.
One can write ordinary texts on science following different methods.
...In general the writer of ordinary books, devoted to science, offers pretty images, in order to stimulate the reader's imagination. But, by the end of the book, he has not gained very much.
Using images, I mean, geometry, which greatly invaded physics since one century ago, one can offer better food for brains.
...An adequate analogical conversion makes possible to evoke the main goals and paths of a theory. By the way, the reader gainS, at the end, solid knowledge in 2d geometry.
Newton and anti-Newton.
...Cosmic structures are organised by a fundamental force : gravitation. If the objects of the cosmos did not mutually attract, nothing would happen over there. The galaxies would not have formed, neither stars, or planets. We wouldn't be here to talk about it all. For an example, if the gravitational force was a repulsive force, it would keep the objects far away one from another. The cosmos would stay amorphous, flabby, which would be deadly boring.
The attraction's law is the Newton's law :
(1)
G is the constant of gravitation. m and m' are two masses and d is the distance between them.
...As will be shown further, our model involves "normal masses m " and something we call "ghost mass m ". Galaxies, stars, planets, human beings, cats, are made of normal mass. Nobody knows if ghost cats exist.
...The main point is that matter and ghost matter interact only through the gravitational force. Out of this, they ignore each other. For example they cannot exchange photons, so that the ghost objects are invisible from our fold of the Universe. Conversely if a "ghost observer" exists, he cannot see us, nor our galaxies, stars, etc...
The interaction scheme is the following :
(2)
Two ordinary masses attract each other, following the classical Newton's law.
Same thing for two ghost masses.
But an ordinary mass and a ghost mass repel each other, according to some sort of "Anti-Newton's" law :
(3)
...We could pu two sets of mass points, corresponding to ordinary and ghost masses, in a computer, let them interact, and see what happens. But the physicist will immediately argue :
- Your ghost matter has a negative mass m* < 0 !
In effect, if we reverse the sign of one mass in the Newton's law :
(5)
the sign of the force changes.
...But if we change the sign of the two masses, the force is unchanged. Then one would tend to conclude that in this model we have simply two kinds of masses : one positive and the other negative, for it takes into account the suggested force's schema.
...But negative masses m* < 0 goes with m*c2 < 0 energies, which was investigated first by the french mathematician Jean-Marie Souriau in his book :
Structure of Dynamic Systems ( first edition in France, 1973, pages 197 to 200 ) : Birkhauser Ed. 1997.
...Negative energy objects arise a serious problem. In effect, what happens when they collide with positive energy ( positive mass ) object ?
...This does not correspond to matter anti-matter annihilation. As will be shown in Geometrical Physics B, 4 , anti-matter located in our universe owns a positive mass and positive energy. Their meeting gives photons. The two produced photons carry the total amount of energy of the matter and anti-matter particles, before their collision. If two objects with opposite energies could meet, collide, the result should be totally different. That would give .... nothing.
...In the very begining of the universe, according to the Standard Model, matter and anti-matter collide frequently, producing high energy photons. But, conversely, these high energy photons give pairs of matter anti-matter particles. The two processes balance each other, in the early universe. But if the Universe would have contained positive and negative masses, positive energy particles and negative energy particles, the two sub-sets would have simply cancelled each other. If the initial proportion would have been fifty-fifty, the whole universe would have disappeared.
That's for the physicists are so skeptical about negative mass particles.
...That's why there is a need for a schematic presentation of the model. As will be show further "it works as if the ghost matter own a negative mass". To approach this apparent paradox we have to learn some geometry.