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11- Où en est l’unification quantique/relativité

samedi 23 août 2008, par Faber Sperber, Robert Paris

"Aujourd’hui, notre physique est dominée par deux grands corpus théoriques : la relativité et la mécanique quantique. Malheureusement, ils semblent inconciliables, et chacun nécessite une conception du monde qui s’oppose à celle de l’autre. Ces problèmes sont particulièrement apparents lors de l’étude de l’univers primordial, des trous noirs et de la nature du vide. Les théoriciens cherchent une nouvelle théorie qui harmoniserait la physique. »

Conférence de Marc Lachèze Rey le 14 janvier 2006

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PROBLEMES DE L’UNIFICATION ET CRISE DE LA PHYSIQUE Quand la physique broie du noir ….

Commentaire de « Matière et révolution »

La physique se heurte actuellement à des limites conceptuelles probablement héritées des points de vue quantique et relativiste, et de leur incapacité à s’unifier dans une même conception d’ensemble. Il est probable que les diverses crises d’interprétation des résultats de la cosmologie (dynamique des étoiles, des galaxies et expansion de l’univers) en découlent car, à cette échelle, quantique et relativiste agissent conjointement. Cependant, le caractère limité des deux théories était apparu dès leur naissance et le problème de leur unité était également posé. Einstein écrivait ainsi à David Hilbert en 1915 : « J’ai souvent torturé mon esprit en essayant de réduire le fossé entre la gravitation et l’électromagnétisme. » L’une des questions, apparue rapidement à la suite des développements en relativité et en quantique, et qui reste sans solution, est celle des infinis. Les infinis posent de nombreux problèmes en physique. Les équations les plus simples de la théorie de la matière mènent en effet à des nombres infinis alors qu’aucune quantité physique mesurée jusqu’à présent n’a jamais été infinie. On ne peut concevoir une masse, une force ou une énergie infinie et l’effet qu’elle aurait sur le reste de l’univers. Alors, cela signifie-t-il que ces équations sont totalement fausses ? Non, cela signifie seulement qu’elles décrivent un domaine qui est limité par celui d’une autre loi. Ainsi, la loi de la gravitation suppose une force inversement proportionnelle au carré de la distance entre deux objets matériels. Si ces objets se touchent que se passe-t-il ? La force deviendrait infinie. Mais, lorsque ces objets atteignent une distance subatomique, les forces électromagnétiques l’emportent sur les forces de gravitation. Or, elles sont répulsives pour deux particules chargées d’électricité identique. C’est justement ce qui se produit quand deux masses macroscopiques s’approchent de très près : les électrons périphériques des deux objets se repoussent. On dit que la force électromagnétique l’emporte alors sur la gravitation. Et si les deux objets sont lancés à très grande vitesse, cette répulsion entre charges électriques sera, elle-même, dépassée par une autre force, la force nucléaire faible. Puis, il en va de même avec la force nucléaire forte. Mais, finalement, est-ce que des objets vont véritablement « se toucher » ? C’est impossible parce qu’au niveau subatomique, l’objet matériel, pourvu d’une masse, saute d’une particule sans masse (particule virtuelle). Or une particule sans masse a une durée de vie trop courte pour que cette rencontre ait lieu. Contrairement à la vision mécanique des relations subatomiques qu’avaient autrefois les physiciens, on s’aperçoit qu’il ne s’agit pas simplement de mouvements de particules dans le vide avec des chocs. Il n’y a pas de collision au sens propre dans la matière. Le contact n’est pas possible puisque de nombreuses lois sont inversement proportionnelles à la distance entre les deux objets ou particules ou une puissance de cette distance. Qui plus est, le principe d’incertitude quantique rend impossible que deux particules se trouvent exactement en un même point. A la place des chocs entre particules, on trouve des « sauts » d’état des particules. Les particules qui approchent mettent en commun, par exemple, leurs états puis s’éloignent. Elles n’ont jamais pu se toucher et ce d’autant moins qu’il n’existe pas une seule position d’une particule quantique. Au lieu d’une physique fondée sur des déplacements et des chocs entre objets élémentaires restant identiques à eux-mêmes, on a un phénomène avec des changements brutaux, des transitions, au travers desquelles on change sans cesse de niveau de la matière. Et, à chaque niveau ses lois physiques. Le problème qui reste posé aux physiciens est celui d’unifier ces lois puisqu’il est certain que, s’il y a bien des niveaux de l’univers, ceux-ci coexistent et interagissent en permanence au travers de boucles de rétroaction. C’est la théorie de ces boucles enchevêtrées et contradictoires qui reste à écrire. Mais pourquoi vouloir dépasser les lois actuelles qui fonctionnent si bien si on s’en tient à chaque niveau d’étude ? Parce que conceptuellement, ce n’est pas la même chose de penser l’univers en domaines séparés ou en niveaux emboîtés. Dans le premier cas, on a une physique du continu. Dans le deuxième, une physique du discontinu. Dans le premier cas, on a une physique fondamentalement linéaire sauf quelques cas de non-linéarité. Dans le deuxième, elle est fondamentalement non-linéaire sauf quelques cas qui approchent du linéaire à la limite. D’autre part, les lois actuelles supposent des infinis qui sont inconcevables : énergie infinie d’interaction entre une particule chargée accélérée et elle-même, par exemple. Conceptuellement enfin, les diverses lois n’indiquent pas elles-mêmes les limites de leur propre champ d’action. Aucune forme de la loi de la gravitation ne nous dit : à partir de telle distance, on passe à un autre domaine. Et que se passe-t-il aux limites d’intervention des diverses lois ? Les questions sans réponse sont restées multiples après les développements de la physique relativiste et de la physique quantique. Mais ce qui semble forcer les physiciens à aller au-delà de lois séparées, d’un côté quantique de l’autre relativité, c’est l’astronomie où les deux lois coexistent. La grande échelle des étoiles et galaxies semble donner la prépondérance à la gravité mais la densité importante de matière et les grandes énergies mises en jeu rendent toute son importance aux loi quantiques, nucléaires notamment, et probablement aussi électromagnétiques. Du coup, la nécessité d’un monde unifié réapparaît et nous rappelle que nos lois sont encore insuffisantes à décrire les mécanismes naturels.

Dans « La nature de la physique », le physicien Richard Feynman expose : « Einstein a dû modifier les lois de la gravitation (de Newton), suivant ses principes de relativité. Le premier de ces principes était que rien ne peut advenir instantanément alors que, selon Newton, la force agissait instantanément. Il lui fallut modifier les lois de Newton. Ces modifications n’ont que de très petits effets. L’un d’eux est que toutes les masses tombant, la lumière ayant de l’énergie et l’énergie équivalant à une masse, la lumière tombe donc. (…) Enfin, en relation avec les lois de la physique à petite échelle, nous avons trouvé que les lois de la matière ont à petite échelle un comportement très différent de celui qu’elle montre à grande échelle. La question se pose donc, à quoi ressemble donc la gravitation sur une petite échelle ? C’est ce que l’on appelle la théorie quantique de la gravitation. Il n’y a pas à l’heure actuelle de théorie quantique de la gravitation. »

Extrait de « Rien ne va plus en physique » de Lee Smolin : « Deux découvertes expérimentales ont été faites ces dernières décennies : d’une part, les neutrinos ont une masse et, d’autre part, l’univers est dominé par la mystérieuse matière noire et semble être en expansion accélérée. Mais nous n’avons aucune idée de la cause de la masse des neutrinos (ou de toute autre particule) et nous ne savons pas expliquer son apparition. Quant à la matière noire, elle ne s’explique avec aucune des théories physiques existantes. (…) Ces deux découvertes, la relativité et la quantique, nous ont, chacune, demandé de rompre avec la physique de Newton. Pourtant, malgré ce très grand progrès accompli au cours du siècle dernier, ces deux découvertes restent incomplètes. Chacune d’elles possède des faiblesses et des défauts, qui tendent à prouver l’existence d’une théorie plus fondamentale. Mais la raison la plus évidente pour laquelle chacune des deux théories est incomplète est l’existence de l’autre. Notre esprit nous incite à chercher une troisième théorie, qui unifierait toute la physique, et la raison à l’origine de cette incitation est simple. Il est évident que la nature, elle, est « unifiée ». L’univers dans lequel nous nous trouvons est interconnecté, dans le sens où tout interagit avec tout le reste. Il ne peut y avoir de solution où nous aurions deux théories de la nature, qui décrirait des phénomènes différents, comme si l’une n’avait rien à voir avec l’autre. (…) Ce problème s’appelle le problème de la « gravité quantique ». (…) Outre l’argument fondé sur l’unité de la nature, il existe des problèmes spécifiques à chaque théorie, qui demandent que cette théorie soit unifiée avec l’autre. Chacune se heurte aux infinis. Dans la nature, on n’a jamais rencontré quelque chose de mesurable qui aurait une valeur infinie. Masi en théorie quantique aussi bien qu’en relativité générale, on trouve des prédictions selon lesquelles certaines quantités physiquement significatives sont infinies. C’est la façon dont la nature punit les théoriciens impudents qui osent briser son unité. La relativité générale a un problème avec les infinis car, à l’intérieur d’un trou noir, la densité de la matière et la force du champ gravitationnel deviennent très rapidement infinis. (…) En un point de densité infinie, les équations de la relativité générale ne tiennent plus. (…) La théorie quantique, elle aussi, génère des infinis. Ceux-ci surgissent lorsqu’on essaye d’utiliser la mécanique quantique pour décrire les champs, comme par exemple le champ électromagnétique. En effet, les champs électrique et magnétique ont des valeurs en chaque point de l’espace. Cela signifie que l’on a affaire à un nombre infini de variables. En théorie quantique, il existe des fluctuations non contrôlables des valeurs de chaque variable quantique. Avec un nombre infini de variables, dont les fluctuations sont non contrôlables, on peut obtenir des équations qui prédisent des valeurs infinies quand on leur pose des questions sur la probabilité que tel événement se produise ou sur la valeur d’une force. (…) La théorie quantique contient en son sein quelques paradoxes conceptuels qui sautent aux yeux et qui restent non résolus même quatre-vingt ans après sa création. Un électron est à la fois une onde et une particule. Même chose pour la lumière. De plus, la théorie ne donne que des prédictions statistiques du comportement subatomique. Notre capacité à faire mieux que cela se trouve limitée par le « principe d’incertitude », qui dit que la position de la particule et son impulsion ne peuvent pas être mesurées au même moment. (…) L’idée que la physique doit être unifiée a probablement motivé plus de travaux en physique que n’importe quelle autre. (…) Toutefois, il reste deux forces fondamentales dans la nature qui échappent à l’unification avec les champs électromagnétique et faible. Ce sont la gravité et les interactions nucléaires fortes (qui maintiennent ensemble les particules appelées quarks et qui sont ainsi responsables de la formation des protons et des neutrons constituant le noyau atomique). (…) Malgré son efficacité, le modèle standard (douze particules et quatre forces pour engendrer le monde) se trouve confronté à un grand problème : il contient une longue liste de constantes à ajuster. Lorsqu’on énonce les lois de la théorie, on doit spécifier les valeurs de ces constantes. (…) Celles-ci spécifient les propriétés des particules. Certaines nous fournissent les masses des quarks et des leptons, tandis que d’autres donnent les intensités des forces. Nous n’avons aucune idée de l’origine de ces nombres. Tout ce que nous avons à faire, c’est de les déterminer au début des expériences et de les insérer ensuite dans la théorie. (…) Il existe environ vingt constantes de ce type et la présence d’autant de paramètres libres dans ce que l’on suppose être la théorie fondamentale cause un grand embarras. (…) Aujourd’hui, alors que nous célébrons l’intégration de tous les phénomènes connus dans le modèle standard plus la relativité générale, nous venons de prendre conscience de la présence de deux nouveaux nuages sombres. Ce sont la matière noire et l’énergie noire. (…) Ces dernières années, les astronomes ont réalisé une expérience très simple, au cours de laquelle ils ont mesuré la distribution des masses dans une galaxie de deux façons différentes et ont comparé les résultats. Premièrement, les astronomes ont mesuré la masse en observant les vitesses orbitales des étoiles ; deuxièmement, ils ont fait une mesure plus directe de la masse en comptant les étoiles, le gaz et la poussière qu’ils voyaient dans la galaxie. L’idée qui motive cette comparaison des deux mesures est que chacune doit fournir à la fois la masse totale de la galaxie et l’information sur sa distribution. Etant donné la bonne connaissance que nous avons de la gravité, et sachant que toutes les formes connues de la matière reflètent la lumière, les deux méthodes devraient s’accorder l’une à l’autre. Or, elles ne sont pas d’accord. Les astronomes ont comparé les deux méthodes de mesure de la masse pour plus de cent galaxies différentes. Dans presque tous les cas, les deux mesures divergent, et la différence entre les valeurs est loin d’être petite, mais plutôt d’un facteur 10. De plus, l’erreur va toujours dans le même sens : on a toujours besoin de plus de masse pour expliquer le mouvement observé des étoiles que ce que l’on calcule par comptage direct de toutes les étoiles, du gaz et de la poussière. (…) S’il existe une matière que nous ne voyons pas, elle doit donc se trouver dans un état et sous une forme nouvelle, qui ni n’émet, ni ne reflète la lumière. Et puisque la divergence des résultats est aussi grande, la majorité de la matière au sein des galaxies doit exister sous cette nouvelle forme. (…) On appelle cette mystérieuse matière manquante « matière noire ». Les astronomes préfèrent cette hypothèse, en grande partie parce que sa seule concurrente – l’hypothèse selon laquelle les lois de Newton sont fausses et par extension la relativité générale – est trop effrayante pour qu’on puisse l’envisager. Puis les choses sont devenues encore plus mystérieuses. Récemment, on a découvert que selon des observations à des échelles encore plus grandes, qui correspondent à des milliards d’années-lumière, les équations de la relativité générale ne sont pas satisfaites même en rajoutant la matière noire. L’expansion de l’univers, démarrée avec le Big Bang il y a quelques 13,7 milliards d’années, s’accélère, tandis que si l’on tient compte de toute la matière observée, en rajoutant la quantité calculée de la matière noire, l’expansion de l’univers devrait au contraire ralentir. Encore une fois, il y a deux explications possibles. Il se peut que la relativité générale soit tout simplement fausse. On l’a testée avec précision seulement à l’intérieur du système solaire et des systèmes voisins de notre galaxie. (…) Une autre possibilité serait l’existence d’encore une nouvelle forme de matière – ou d’énergie (rappelez-vous l’équation d’Einstein E=mc² qui montre l’équivalence entre énergie et la masse). Cette nouvelle forme d’énergie entrerait en jeu seulement à des échelles très grandes, c’est-à-dire qu’elle n’affecterait que l’expansion de l’univers. Pour que cela soit possible, cette énergie nouvelle ne peut pas se rassembler aux alentours des galaxies ou même des amas de galaxies. Cette étrange nouvelle énergie que l’on envisage pour que les chiffres correspondent aux données observées s’appelle « énergie noire ». La majorité des types de matière se trouvent sous pression, mais l’énergie noire exerce une tension (…) parfois dite de « pression négative ». (…) Si la pression est suffisamment négative, en relativité générale, (…) elle cause l’accélération, et non la décélération de l’univers. Les observations récentes nous révèlent un univers qui, en grande partie, est constitué d’inconnu. 70% de la matière est sous forme d’énergie noire, 26% sous forme de matière noire et seulement 4% sous forme de matière ordinaire. En conséquence, moins d’une part sur vingt de la matière est observée expérimentalement et décrite à l’aide du modèle standard de la physique des particules. Des 96% restant, excepté leurs propriétés déjà mentionnées, nous ne savons absolument rien. (…) Aujourd’hui, on en sait beaucoup à propos des caractéristiques fondamentales de l’univers, telles que la densité globale de la matière et le taux d’expansion. On possède maintenant le modèle standard de la cosmologie, de la même façon qu’il existe un modèle standard de la physique des particules. Tout comme son frère, le modèle standard de la cosmologie contient aussi une liste de constantes libres, dans ce cas, il y en a environ quinze. Ces constantes comportent, entre autres, la densité des différents types de matière et d’énergie et leur taux d’expansion. Personne ne sait rien de la raison pour laquelle ces constantes ont les valeurs qu’elles ont. Comme en physique des particules, ces valeurs sont fournies par les observations et ne sont pas encore expliquées par la théorie. (…) Une grande partie de la structure du monde, à la fois social et physique, est une conséquence de la nécessité pour le monde, dans son actualité, de briser les symétries présentes dans l’espace des possibles. Un trait important de cette nécessité est la contradiction entre la symétrie et la stabilité. (…) La symétrie est brisée spontanément. Par cette notion, on entend que la symétrie se brise à un moment, mais que la façon précise dont elle le sera est hautement contingente. (…)L’utilisation de la brisure spontanée de symétrie dans la théorie fondamentale a eu des conséquences essentielles non seulement sur les lois de la nature, mais aussi sur la question plus globale de ce qu’est la nature. Avant cette époque, on croyait que les caractéristiques des particules élémentaires étaient déterminées directement par les lois éternelles et immuables de la nature. Avec la théorie de la brisure spontanée de symétrie, un nouvel élément voit le jour : les caractéristiques des particules élémentaires dépendent en partie de l’histoire et de l’environnement. La symétrie peut être brisée, ceci de diverses façons en fonction de conditions comme la densité et la température. (…) La découverte du quart de siècle qui a eu le plus de conséquences est que les neutrinos ont une masse ; cependant ce résultat peut trouver une place à l’intérieur du modèle standard à condition de l’ajuster un peu (…) Il existe de grosses différences entre les masses des particules. Par exemple, la masse de l’électron représente un 1/800ème de la masse du proton. Et le boson de Higgs, s’il existe, a une masse au moins 140 fois plus grande que celle du proton. La physique des particules semble être plutôt hiérarchisée qu’égalitaire. (…) les différentes masses forment ainsi une hiérarchie. A son sommet, se trouve la masse de Planck, limite à partir de laquelle les effets de la gravité quantique deviennent importants. Peut-être 10.000 fois plus légère que la masse de Planck se trouve l’échelle où la différence entre l’électromagnétisme et les forces nucléaires disparaît. (…) Encore plus bas dans la hiérarchie, dix millions de milliards fois moins que l’échelle de Planck, se trouve le niveau om s’unifient la force électromagnétique avec la force des interactions faibles. (…) C’est dans cette région que nous devrions enregistrer le boson de Higgs (…) La masse du proton correspond à un millième de cette masse et, un millième plus petit encore, on trouve la masse de l’électron, masse dont celle du neutrino un million de fois moins. En bas de cette échelle, se trouve l’énergie du vide qui existe à travers l’espace, même en l’absence de matière. (…) Pourquoi la matière est-elle à ce point hiérarchisée et de cette manière, avec ces rapports de grandeurs ? Mystère. (…) Le problème de la hiérarchie contient deux défis. Le premier est de trouver ce qui détermine les valeurs des constantes et ce qui fait que les rapports entre elles sont si grands. Le second est de comprendre pourquoi ces valeurs restent là où elles sont. (…) Il n’existe pas de prédiction exacte pour la masse de Higgs même dans le modèle standard, mais on sait qu’elle doit être plus de 120 fois supérieure à la masse du proton. (…) Pour résoudre toutes ces questions, il sans doute nécessaire de comprendre la gravité quantique en intégrant la relativité générale d’Einstein à la mécanique quantique. (…)La relativité restreinte d’Einstein est fondée sur deux postulats : le premier est la relativité du mouvement et le second la constance et la relativité de la vitesse de la lumière. (…) Albert Einstein a sans doute été le physicien le plus important du 20ème siècle. Sa plus grande réussite est sans doute la découverte de la relativité générale, à ce jour notre meilleure théorie de l’espace, du temps, du mouvement et de la gravitation. Sa profonde perspicacité nous a appris que la gravité et le mouvement sont dans une intime relation, non seulement entre eux mais également avec la géométrie de l’espace et du temps. (…) Selon la théorie générale de la relativité d’Einstein, l’espace et le temps ne constituent plus un fond fixe et absolu. L’espace est aussi dynamique que la matière : il bouge et il change de forme. (…) Quelques siècles avant Einstein, Galilée avait découvert l’unification du repos avec le mouvement uniforme (en ligne droite à vitesse constante). A partir de 1907 environ, Einstein a commencé à s’interroger sur les autres types de mouvement, tel le mouvement accéléré. Dans le mouvement accéléré, la direction ou la vitesse varient. (…) C’est à ce moment qu’Einstein a fait l’avancée la plus extraordinaire. Il a réalisé que l’on ne pouvait pas distinguer les effets de l’accélération des effets de la gravité. (…) Dans une cabine d’ascenseur en chute libre, les passagers de la cabine ne sentiraient plus leur poids. (…) L’accélération de l’ascenseur en chute libre compense totalement l’effet de la gravité. (…) L’unification de l’accélération et de la gravitation a eu des conséquences importantes et, avant même que ses implications conceptuelles ne soient comprises, d’importantes implications expérimentales furent dégagées. Quelques prédictions en découlaient (…) par exemple que les horloges doivent ralentir dans un champ gravitationnel. (…) Ou encore que la lumière se courbe lorsqu’elle circule au travers d’un champ gravitationnel. (…) La théorie d’Einstein a des conséquences très importantes, puisque les rayons de lumière sont courbés par le champ gravitationnel qui, à son tour, réagit à la présence de la matière. La seule conclusion possible est que la présence de matière influence la géométrie de l’espace. (…) Si deux rayons de lumière sont initialement parallèles, ils peuvent se rencontrer, s’ils passent tous les deux près d’une étoile. Ils sont recourbés l’un vers l’autre. Par conséquent, la géométrie euclidienne (où les droites parallèles ne se rencontrent jamais) n’est pas adaptée au monde réel. De plus, la géométrie varie sans cesse, parce que la matière est sans arrêt en mouvement. La géométrie de l’espace n’est pas plate comme un plan infini. Elle est plutôt comme la surface de l’océan : incroyablement dynamique, avec de grandes vagues et de toutes petites rides. Ainsi, la géométrie de l’espace s’est révélée n’être qu’un autre champ. (…) Dans la relativité restreinte, l’espace et le temps forment, ensemble, une entité quadridimensionnelle qu’on appelle espace-temps. (…) L’unification einsteinienne du champ gravitationnel avec la géométrie de l’espace-temps était le signal de la transformation profonde de notre façon de concevoir la nature. Avant Einstein, l’espace et le temps avaient été pensés comme possédant des caractéristiques fixes, données une fois pour toutes : la géométrie de l’espace est, a été et sera toujours celle décrite par Euclide et le temps avance indépendamment de tout le reste. Les choses pouvaient se déplacer dans l’espace et évoluer dans le temps, mais l’espace et le temps eux-mêmes ne changeaient jamais. (…) La théorie générale de la relativité d’Einstein diffère complètement. Il n’y a plus de fond fixe. La géométrie de l’espace et du temps varie et évolue en permanence, ainsi que le reste de la nature. (…) Il n’y a plus un champ qui se déplace sur un fond géométrique fixe. Au contraire, nous avons une collection de champs, qui interagissent tous, les uns avec les autres, qui sont dynamiques, qui tous exercent une influence sur les autres, et la géométrie de l’espace-temps en fait partie. (…) La relativité générale a vite mené aux prédictions de phénomènes nouveaux, tels que l’expansion de l’univers, le Big Bang, les ondes gravitationnelles et les trous noirs, dont il existe, pour tous, de solides preuves expérimentales. (…) La leçon principale de la relativité générale était qu’il n’y avait pas de géométrie fixe du fond spatio-temporel. (…) Cela signifie que les lois de la nature doivent s’exprimer sous une forme qui ne présuppose pas que l’espace ait une géométrie fixe. C’est le cœur de la leçon einsteinienne. Cette forme se traduit en principe, celui d’indépendance par rapport au fond. Ce principe énonce que les lois de la nature peuvent être décrites dans leur totalité sans présupposer la géométrie de l’espace. (…) L’espace et le temps émergent de ces lois plutôt que de faire partie de la scène où se joue le spectacle. Un autre aspect de l’indépendance par rapport au fond est qu’il n’existe pas de temps privilégié. La relativité générale décrit l’histoire du monde au niveau fondamental en termes d’événements et de relations entre eux. Les relations les plus importantes concernent la causalité : un événement peut se trouver dans la chaîne causale qui mène à un autre événement. (…) Ce sont lesdits événements qui constituent l’espace. (…) Toute définition concrète de l’espace dépend du temps. Il existe autant de définitions de l’espace que de temporalités différentes. (…) La question fondamentale pour la théorie quantique de la gravitation est, par conséquent, celle-ci : peut-on étendre à la théorie quantique le principe selon lequel l’espace n’a pas de géométrie fixe ? C’est-à-dire peut-on faire une théorie quantique indépendante du fond, au moins en ce qui concerne la géométrie de l’espace ? (…) En 1916, Einstein avait déjà compris qu’il existait des ondes gravitationnelles et qu’elles portaient une énergie. Il a tout de suite remarqué que la condition de cohérence avec la physique atomique demande que l’énergie portée par les ondes gravitationnelles soit décrite en termes de la théorie quantique (dans « Approximate integration of the field of gravitation ». (…) Heisenberg et Pauli croyaient que, lorsqu’elles sont très faibles, on pouvait considérer les ondes gravitationnelles comme de minuscules ondulations qui viennent déranger une géométrie fixe. Si l’on jette une pierre dans un lac par un matin calme, elle provoquera de petites ondulations qui ne dérangeront que très peu la surface plane de l’eau, il sera alors facile de penser que les rides se déplacent sur un fond fixe donné par une surface. Mais quand les vagues sont fortes et turbulentes près d’une plage lors d’une tempête, cela n’a aucun sens de les considérer comme des perturbations de quelque chose de fixe. La relativité générale prédit qu’il existe des régions de l’univers où la géométrie de l’espace-temps évolue de façon turbulente comme les vagues qui viennent frapper la plage. Pourtant, Heisenberg et Pauli croyaient qu’il serait plus facile d’étudier d’abord les cas où les ondes gravitationnelles sont extrêmement faibles et peuvent être considérées comme de petites rides sur un fond fixe. Cela leur permettait d’appliquer les mêmes méthodes que celles qu’ils avaient développées pour l’étude des champs quantiques électromagnétiques qui se déplaceraient sur un fond spatio-temporel fixe. (…) Le résultat était que chaque onde gravitationnelle devait être analysée selon la méthode dictée par la mécanique quantique, comme une particule qu’on appelle graviton – analogue au photon, qui, lui, est un quantum du champ électromagnétique. Or, à l’étape suivante, un énorme problème s’est posé, car les ondes gravitationnelles interagissent entre elles. Elles interagissent avec tout ce qui a une énergie ; et elles-mêmes ont aussi une énergie. Ce problème n’apparaît pour les ondes électromagnétiques, puisque les photons interagissent avec les charges électriques et magnétiques, ils ne sont pas eux-mêmes chargés et, par conséquent, ils peuvent facilement traverser les autres photons. (…) Puisque les ondes gravitationnelles interagissent les unes avec les autres, elles ne peuvent plus être pensées comme se déplaçant sur un fond fixe. Elles modifient le fond sur lequel elles se déplacent. (…) Il ne suffit pas d’avoir une théorie des gravitons fabriqués à partir de cordes se tortillant dans l’espace (théorie des cordes). Nous avons besoin d’une théorie de ce qui fait l’espace, c’est-à-dire une théorie indépendante du fond. (…) Les approches les plus réussies, à ce jour, de la gravité quantique utilisent la combinaison de trois idées fondamentales : que l’espace est émergent, que la description est fondamentalement discrète et que cette description fait intervenir la causalité de façon cruciale. (…) Personne plus que Roger Penrose n’a contribué à notre façon d’appréhender et d’utiliser la théorie de la relativité générale, excepté Einstein lui-même. (…) Penrose a affirmé pendant des années que l’insertion de la gravité dans la théorie quantique rend cette théorie non linéaire. Cela mène à la résolution du problème de la mesure, par le fait que les effets de la gravité quantique causent un collapse dynamique de l’état quantique. (…) Bien que beaucoup de physiciens de premier plan admettent en privé que le problème des fondements de la mécanique quantique existe, leur expression en public consiste à dire que tous ces problèmes ont été résolus dans les années 1920. (…) Désirez-vous une révolution scientifique ? Laissez entrer quelques révolutionnaires. (…) Il existe quelques caractéristiques des universités et des centres de recherche qui découragent tout changement. »

La gravité quantique, le film


MOTS CLEFS :

dialectiquediscontinuitéphysique quantiquerelativitéchaos déterministeatomesystème dynamiquestructures dissipativespercolationnon-linéaritéquantaémergenceinhibitionboucle de rétroactionrupture de symétrie - turbulencemouvement brownienle temps - contradictionscrisetransition de phasecriticalité - attracteur étrangerésonanceauto-organisationvide - révolution permanente - Zénon d’Elée - Antiquité - Blanqui - Lénine - TrotskyRosa LuxemburgPrigogine - Barta - Gould - marxisme - Marx - la révolution - l’anarchisme - le stalinisme - Socrate


Atome : rétroaction de la matière/lumière et du vide (de la microphysique à l’astrophysique)

* 01- Les contradictions des quanta

* 02- La matière, émergence de structure au sein du vide

* 03- Matière et lumière dans le vide

* 04- Le vide, … pas si vide

* 05- Le vide destructeur/constructeur de la matière

* 06- La matière/lumière/vide : dialectique du positif et du négatif

* 07- La construction de l’espace-temps par la matière/lumière

* 08- Lumière et matière, des lois issues du vide

* 09- Matière noire, énergie noire : le chaînon manquant ?

* 10- Les bulles de vide et la matière

* 11- Où en est l’unification quantique/relativité

* 12- La symétrie brisée

* 13- Qu’est-ce que la rupture spontanée de symétrie ?

* 14- De l’astrophysique à la microphysique, ou la rétroaction d’échelle

* 15- Qu’est-ce que la gravitation ?

* 16- Big Bang ou pas Big Bang ?

* 17- Qu’est-ce que la relativité d’Einstein ?

* 18- Qu’est-ce que l’atome ?

* 19- Qu’est-ce que l’antimatière ?

* 20- Qu’est-ce que le vide ?

* 21- Qu’est-ce que le spin d’une particule ?

* 22- Qu’est-ce que l’irréversibilité ?

* 23- Qu’est-ce que la dualité onde-corpuscule

* 26- Le quanta ou la mort programmée du continu en physique

* 25- Lumière quantique

* 26- La discontinuité de la lumière

* 27- Qu’est-ce que la vitesse de la lumière c et est-elle indépassable ?

* 28- Les discontinuités révolutionnaires de la matière

* 30- Qu’est-ce qu’un système dynamique ?

* 31- Qu’est-ce qu’une transition de phase ?

* 32- Quelques notions de physique moderne

* 33- Qu’est-ce que le temps ?

* 34- Henri Poincaré et le temps

* 35- La physique de l’état granulaire

* 36- Aujourd’hui, qu’est-ce que la matière ?

* 37- Qu’est-ce que la rupture de symétrie (ou brisure spontanée de symétrie) ?

* 38- Des structures émergentes au lieu d’objets fixes

* 39- Conclusions provisoires sur la structure de la matière

* 40- L’idée du non-linéaire

2 Messages de forum

  • Aujourd’hui, y a-t-il une seule physique quantique ?

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    • 11- Où en est l’unification quantique/relativité 11 avril 2015 05:59, par Robert Paris

      Pas tout à fait. Au départ il y a eu la mécanique quantique puis la théorie de la fonction d’onde, puis la dualité onde/corpuscule qui se sont unifiés dans le modèle de Copenhague mais cela n’a pas beaucoup duré. Maintenant, il y a ce qu’on appelle « le modèle standard » qui comprend la physique quantique de Kaluza-Klein, l’électrodynamique quantique de Feynman, la chromodynamique quantique, la théorie de jauge de et la théorie quantique des champs du vide quantique. Ce sont en fait des niveaux différents d’interprétation et très peu de scientifiques les ont tous étudiés ni n’en ont besoin en pratique dans leurs travaux.Mais il manquait toujours l’unification quantique/relativité gravitationnelle. La théorie des cordes et des supercordes avait prétendu tout unifier mais elle s’est enlisée.

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