Presque à tout moment les physiciens annoncent qu’ils ont découvert une nouvelle particule, qu’il s’agisse du boson de Higgs ou du tétraquark à double charme récemment mis en sac, ce qu’ils ont en fait repéré est une petite bosse s’élevant d’une courbe par ailleurs lisse sur un tracé. Une telle bosse est la signature indubitable de la «résonance», l’un des phénomènes les plus omniprésents dans la nature.
La résonance sous-tend des aspects du monde aussi divers que la musique, la fusion nucléaire dans les étoiles mourantes et même l’existence même de particules subatomiques. Voici comment le même effet se manifeste dans des contextes aussi variés, de la vie quotidienne aux plus petites échelles.
Dans sa forme la plus simple, la résonance se produit lorsqu’un objet subit une force oscillante proche de l’une de ses fréquences « naturelles », à laquelle il oscille facilement. Le fait que les objets aient des fréquences naturelles « est l’une des propriétés fondamentales des mathématiques et de l’univers », a déclaré Matt Strassler, un physicien des particules affilié à l’Université de Harvard qui écrit un livre sur le boson de Higgs. Une balançoire de terrain de jeu en est un exemple familier : « Frappez quelque chose comme ça, et il sélectionnera toujours automatiquement sa fréquence de résonance », a déclaré Strassler. Ou effleurez un verre à vin et le bord vibrera quelques centaines de fois par seconde, produisant une tonalité caractéristique lorsque les vibrations se transmettent à l’air ambiant.
Les fréquences propres d’un système dépendent de ses propriétés intrinsèques : pour une flûte, par exemple, ce sont les fréquences des ondes sonores qui s’insèrent exactement dans sa géométrie cylindrique.
Le mathématicien suisse Leonhard Euler a résolu l’équation décrivant un système entraîné en permanence près de sa fréquence de résonance en 1739. Il a découvert que le système présentait «des mouvements divers et merveilleux», comme il l’a dit dans une lettre à son collègue mathématicien Johann Bernoulli, et que, lorsque le système est entraîné précisément à la fréquence de résonance, l’amplitude du mouvement « augmente continuellement et finit par croître jusqu’à l’infini ».
Piloter un système trop fort à la bonne fréquence peut avoir des effets dramatiques : un chanteur entraîné, par exemple, peut briser un verre avec une note soutenue à sa fréquence de résonance. Un pont résonnant avec les pas des soldats en marche peut s’effondrer. Mais le plus souvent, la perte d’énergie, que l’analyse d’Euler a négligée, empêche le mouvement d’un système physique de croître sans contrôle. Si le chanteur chante doucement la note, les vibrations dans le verre augmenteront au début, mais des vibrations plus importantes provoquent l’émission de plus d’énergie vers l’extérieur sous forme d’ondes sonores qu’auparavant, de sorte qu’un équilibre sera finalement atteint qui se traduira par des vibrations d’amplitude constante.
Supposons maintenant que le chanteur commence par une note grave et monte continuellement en hauteur. Au fur et à mesure que le chanteur balaie la fréquence à laquelle le verre à vin résonne, le son devient momentanément beaucoup plus fort. Cette amélioration survient parce que les ondes sonores arrivent sur le verre en synchronisation avec les vibrations déjà présentes, tout comme le fait d’appuyer sur une balançoire au bon moment peut amplifier son mouvement initial. Un tracé de l’amplitude du son en fonction de la fréquence tracerait une courbe avec une bosse prononcée autour de la fréquence de résonance, une courbe étonnamment similaire aux bosses annonçant les découvertes de particules. Dans les deux cas, la largeur de la bosse reflète la perte du système, indiquant, par exemple, combien de temps un verre sonne après avoir été frappé une fois, ou combien de temps une particule existe avant qu’elle ne se désintègre.
Mais pourquoi les particules se comportent-elles comme des verres à vin bourdonnants ? Au tournant du XXe siècle, la résonance était considérée comme une propriété des systèmes vibrants et oscillants. Les particules, qui se déplacent en ligne droite et se dispersent comme des boules de billard, semblaient bien éloignées de cette branche de la physique.
Le développement de la mécanique quantique a montré le contraire. Des expériences ont montré que la lumière, que l’on considérait comme une onde électromagnétique, se comporte parfois comme une particule : un « photon », qui possède une quantité d’énergie proportionnelle à la fréquence de l’onde associée. Pendant ce temps, les particules de matière comme les électrons présentent parfois un comportement ondulatoire avec la même relation entre la fréquence et l’énergie.