Gravitation quantique : où en est-on ?

Durant les 15 derniers jours, j’ai eu le plaisir de participer à deux congrès internationaux de recherche sur la gravitation quantique auxquels j’étais invité pour présenter les travaux réalisés avec mes proches collègues (en particulier Boris Bolliet, Julien Grain, Killian Martineau, Francesca Vidotto). Le premier « Experimental Search for Quantum Gravity » avait lieu à l’Institute for Advanced Studies de Frankfort, le second « Emergent Spacetime in quantum gravity and Fundamental Cosmology » se tenait à l’Institut Albert Einstein de Gölm.

Ce fut pour moi l’occasion de mesurer une fois de plus la formidable vitalité des recherches en cours sur ces thématiques ! Commençons par expliquer ce qu’est la gravitation quantique. Nous avons, en physique, deux grandes théories pour décrire le réel. D’une part, il y a la mécanique quantique. Elle rend compte du comportement de la matière, en particulier à l’échelle microscopique. D’autre part, il y a la relativité générale. Elle rend compte de la nature et de l’évolution de l’espace-temps. Autrement dit, la première renseigne sur le contenu, la seconde sur le contenant. Hélas, ces deux théories sont incompatibles l’une avec l’autre !

Variété de Calai-Yau en théorie des cordes (by Stewart Dickson)

Il y a des raisons techniques complexes à cette incompatibilité. Elles sont par exemple associées à ce qu’on nomme la non-renormalisabilité. La renormalisation est une technique usuelle en théorie des champs, permettant de « régulariser » des grandeurs infinies afin de les rendre finies grâce à une sorte de redéfinition. Elle a fait ses preuves. Mais elle ne fonctionne pas avec la gravitation (décrite par la relativité générale). En parallèle de ces raisons mathématiques, il y a aussi des raisons plus intuitives à la difficulté de concilier les mondes quantiques et relativistes. Le temps, par exemple, est un simple paramètre extérieur en physique quantique. Quand on quantifie un système il n’est pas remplacé par quoique ce soit de nouveau, tandis que la position (c’est-à-dire l’espace) est remplacée par un opérateur. Cela signifie qu’en physique quantique l’espace et le temps sont très différents. Au contraire, en relativité ils sont essentiellement « la même chose » ! C’est un problème. Second exemple : la relativité générale est une théorie géométrique. Mais la physique quantique impose, via le principe d’incertitude de Heinserbeg, une sorte de « flou » qui est structurellement incompatible avec une description géométrique. C’est un autre problème.

Dans la plupart des situations il n’est pas gênant que la physique quantique soit incompatible avec la relativité générale parce que seule l’une de ces théories est utilisée. Par exemple quand on étudie le comportement d’un atome au laboratoire, les effets de courbure de l’espace-temps sont totalement négligeables et il est possible de n’utiliser que la physique quantique. A contrario, quand on décrit deux trous noirs en orbite l’un autour de l’autre, émettant des ondes gravitationnelles, nous n’avons besoin que de relativité générale. Il y a pourtant quelques cas où il est manifeste que relativité générale et physique quantique sont requises simultanément : le voisinage du Big Bang et le coeur des trous noirs. De plus, la relativité conduit parfois à des résultats incohérents et l’histoire de la physique montre que dans de telles situations, c’est souvent le fait de tenir compte de la physique quantique qui a permis de lever les difficultés. Enfin, la relativité montre que l’espace-temps est lié à la matière. Donc si la matière est quantique, l’espace-temps doit l’être aussi. Et la gravité quantique est indispensable pour comprendre la véritable origine de l’Univers. Voila de bonne raisons pour chercher cette fameuse théorie.

Structure possible microscope de l'espace

Elaborer une théorie de gravitation quantique a été l’un des objectifs majeurs de la physique théorique depuis un siècle. Sans succès. Les difficultés sont immenses. Il existe néanmoins des voies prometteuses : la théorie des cordes, la gravitation quantique à boucles, la triangulation dynamique causale, la sécurité asymptotique, la géométrie non-commutative, les ensembles causaux, etc. Toutes ces approches ont leurs intérêts et leurs défauts. Aucune n’est consensuelle. Aucune n’est sans faiblesse du point de vue mathématique. Et, surtout, aucune ne jouit de la moindre corroboration expérimentale. Chaque communauté poursuit les calculs et tente d’en tirer les conséquences.

Trois éléments m’ont semblé particulièrement intéressants à ces conférences. Le premier est l’extraordinaire vitalité de ce champ de recherche. Les chercheurs théoriciens ont clairement (re)pris conscience de l’importance essentielle de la gravitation quantique. Et les expérimentateurs s’y mettent ! Il faut venir à bout de ce problème. En particulier, outre les très grands physiciens du domaine, bien connus et toujours actifs, j’ai été très impressionné par nombre de jeunes chercheurs extrêmement brillants.

spinnet

Le second point remarquable concerne le possibilité de faire des prédictions expérimentales ou observationnelles. La longueur de Planck à laquelle nous pensons que l’espace devient quantiques est extrêmement petite : mille milliards de fois plus petite que les plus petites distances que l’on peut sonder avec notre « meilleur » microscope, le grand accélérateur LHC du CERN. C’est pourquoi il est si difficile de faire des expériences en gravitation quantique. Pourtant, la capacité prédictive des modèles s’améliore grandement. Il est réjouissant de constater que certains modèles réalistes sont déjà exclus, cela signifie que la gravitation quantique devient une branche de la véritable physique, qu’elle peut être mise à l’épreuve des observations. De plus, de nombreuses idées d’expériences, certaines très originales, germent dans ce domaine. Entre les expériences dédiées en laboratoire, les observations cosmologiques et l’astrophysique des hautes énergies, je ne serai pas étonné que des effets de gravitation quantique puissent être bientôt observés.

Le troisième point tient à un certain nombre de concepts qui m’ont semblé apparaître de façon étonnement convergente dans plusieurs approches. Par exemple, la présence d’un « rebond » de l’Univers (en lieu et place du Big Bang), avec une phase de contraction qui aurait précédé l’actuelle phase d’expansion devient de plus en plus fréquemment prédite par des théories par ailleurs indépendantes. C’est bon signe. L’idée, également essentielle, qu’il existe à l’échelle de Planck une structure « pré-géométrique » à partir de laquelle « émerge » la géométrie lisse usuelle semble également faire son chemin et devenir peu à peu consensuelle.

La gravitation quantique promet d’être l’une des stars des prochaines décennies.

Espace-temps en triangulation dynamique causale (Figure: T.G. Buddh).
Espace-temps en triangulation dynamique causale (Figure: T.G. Buddh).

6 réflexions sur “ Gravitation quantique : où en est-on ? ”

  1. Parler de rebond infère que l’Univers vient de terminer son implosion et repart. Juste avant le rebond l’entropie de l’Univers est non nulle. Qu’elle est sa valeur après le rebond ? A -t-elle été conservée durant la transition, s’est-elle accrue ? Je vous ai posé cette question lors de votre conférence à Luminy, mais la réponse honnête que vous m’avez proposée ne me satisfait pas. Aussi je me permets de reposer la question. A mon sens L’entropie est actuellement le parent pauvre de cette physique de pointe, et je me demande si ce n’est pas rédhibitoire pour permettre le développement de la théorie et à sa confrontation à l’expérience à terme?

    Merci de votre réponse et de votre patience !

    Par ailleurs ou puis-je trouver les documents de base de la Gravitation Quantique à Boucle ?

  2. Juste un merci de nous faire partager ces nouvelles fraiches et de prendre soin de les vulgariser sur ce sujet difficile et « au long cours ».

  3. Bonjour,
    Hier, à Nîmes, vous avez fait une conférence très intéressante. Je n’ai pas osé vous poser une question qui me semblait très terre à terre, la voici :
    En préambule, vous avez dit que notre vision ne voyait pas d’autres mondes qui étaient dans le cosmos, je désirerai savoir si certains animaux pouvaient les voir ?

    Merci pour votre réponse
    Jeannie

    1. C’est une très belle question. Au sens des univers multiples de la physique, non. Mais en de nombreux autres sens non moins profonds, je pense que oui en effet !

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