La gravitation est-elle émergente ?

La vision usuelle de la physique suggère qu’il existe quatre forces fondamentales :
– la force électromagnétique
– la force nucléaire faible
– la force nucléaire forte
– la force gravitationnelle

Mais rien n’assure que ces forces fondamentales soient … vraiment fondamentales ! Elles pourraient émerger de quelque chose de plus fondamentale encore. Pour ce qui concerne la gravitation, quelques indices existent en ce sens : pourquoi est-elle si faible ?, pourquoi ne se laisse-t-elle pas quantifier simplement ?

Les ondes sonores, par exemple, sont émergentes. Elles proviennent d’effets collectifs dans les molécules de l’air. Elles ne sont pas des phénomènes fondamentaux et, pour cette raison, il n’est par exemple pas envisagé de les quantifier. La connaissance du processus d’émergence change notre façon de comprendre le phénomène de façon non-triviale.

La question essentielle est ici celle du « type » d’émergence. Il se pourrait par exemple que la gravitation émerge de la théorie des cordes. Il s’agit d’une description unificatrice du monde dans laquelle les entités fondamentales seraient des sortes de petits élastiques en vibration. C’est une hypothèse ancienne, spéculative, qui serait évidemment très novatrice mais à mon sens pas révolutionnaire au sens de l’émergence. Une autre possibilité serait celle de la gravitation quantique à boucles que je décris en détails ici.

Mais la forme d’émergence particulière que je veux évoquer dans ce billet est différente. Elle est thermodynamique. La thermodynamique est une science qui montre que les propriétés d’un système physique constitué d’un grand nombre de petits éléments peuvent être comprises indépendamment des détails des constituants fondamentaux. C’est une science extraordinairement belle et fiable.

Représentation imagée de la légende de la pomme de Newton (de LOTHARLORRAINE)

Or, il y a vingt ans, Ted Jacobson, grand physicien théoricien, a montré ici que les équations de la gravitation pouvaient être vues comme résultant d’une vision thermodynamique. C’est un résultat magnifique. Il laisse entendre que la gravitation pourrait ne pas être une force fondamentale mais apparaître comme la simple résultante de l’existence d’un grande nombre de petits corps en interaction. Auquel cas il n’est peut-être pas nécessaire de la quantifier. Les équations d’Einstein joueraient le simple rôle d’une équation d’état.
L’idée a fait son chemin et il a même été montré qu’une vision thermodynamique de la gravitation pouvait permettre de mieux comprendre le problème de l’accélération de l’expansion cosmologique.

Plus récemment, Erik Verlinde a proposé un modèle de gravité entropique qui s’inscrit dans cette lignée, tout en essayant de faire des liens avec la théorie des cordes. Les détails du modèle, présenté ici dans sa version élaborée, sont complexes et peu de physiciens ont pu comprendre la construction dans son ensemble. L’intérêt essentiel de cette approche est qu’elle conduit à des prédiction (légèrement) différentes de celles de la relativité générale et peut donc être testé.
Un certain nombre d’études ont pointé du doigt des tensions entre cette théorie et les données observationnelles, en particulier concernant l’étude de système solaire et les courbes de rotation de galaxies. Mais il n’est pas évident que les conditions d’applications des formules de Verlinde soient remplies, comme le suggère Sabine Hossenfelder, qui a très élégamment ré-écrit le modèle de Verlinde de façon covariante, c’est-à-dire dans le langage usuel de la relativité.

Augmentation de l’entropie associée à la diffusion d’un gaz (extrait de BC Open Textbooks)

L’aventure de la gravitation émergente est loin d’être achevée et les recherches sont très actives autour de cette voie. Qui n’est qu’une parmi d’autres.

8 réflexions sur “ La gravitation est-elle émergente ? ”

  1. Merci, bel article sur un sujet que je trouve passionnant !
    Une question svp : j’ai lu les articles de Verlinde (dont je comprends le sens global, mais mon niveau en Relativité Général est insuffisant pour en appréhender les détails) et également 3 articles (http://arxiv.org/pdf/1106.4108.pdf, http://arxiv.org/pdf/1206.1030.pdf et http://arxiv.org/pdf/1111.0903.pdf) de 2011 et 2012, et sur lesquels j’ai vu peu d’échos par la suite. Pourtant, ils me paraissent particulièrement séduisants intellectuellement. Mais là encore, mon niveau est insuffisant pour savoir s’ils sont « sérieux » ou non : en avez-vous entendu parler et si oui, quel avis en avez-vous ? Ces pistes vous semblent-elles crédibles ?
    Merci beaucoup, cordialement

  2. Est-ce que la gravitation pourrait s’expliquer par une brisure de la symétrie de l’espace-temps? Cette brisure ayant lieu à chaque instant provoquant, à la fois, l’effet gravitationnel et l’expansion?

  3. Peut-être que l’attraction gravitaire est une erreur d’interprétation! Et s’il s’agissait d’une répulsion gravitaire en provenance des confins de l’espace?
    Cette répulsion étant affaiblie par le passage à travers les masses stellaires.
    On a alors un ensemble répulsionnel plusieurs fois plus important que l’hypothèse gravitationnelle.
    Il n’y a plus besoin de matière noire!
    Et les trajectoires des planètes restent ellipsoïdes…

  4. Bonjour, Mr aurélien Barrau , je vous lis avec attention , vous êtes un être HUMAIN admirable et un grand scientifique , je vous souhaite le meilleurs et votre travail sur la gravitation quantique à boucle est remarquable .

  5. Bonjour,
    Opérateur de liaison l’information.
    Comment concevoir l’information du tout, en admettant que cette information ce forme dans les forces ?
    Un opérateur de liaison d’entrée, puis d’une sortie. Comment l’échange s’opère entre les forces fondamentales d’une information ordonné et qu’elle forme à tel ?
    Jacques.

  6. Bonjour,

    Vous dîtes:
    « Elles [les ondes sonores] ne sont pas des phénomènes fondamentaux et, pour cette raison, il n’est par exemple pas envisagé de les quantifier. »

    Et les phonons ne sont donc pas de telles quantifications ?

    Merci d’avance pour une éventuelle réponse

  7. Merci pour ce billet très intéressant. La publication d’Erik Verlinde semble très complexe. Je crois qu’il fait un parallèle entre l’horizon d’un trou noir et l’horizon cosmologique (comme si on était dans un trou noir) l’entropie associée dans un espace anti de Sitter (et dans celui d’un trou noir?) à l’aire de cet horizon et est dans notre cas (approximativement un espace de de Sitter) associé au volume contenu dans l’horizon cosmologique et expliquerait donc l’accélération de l’expansion de l’univers. Plus besoin d’énergie noire dans cette hypothèse si j’ai compris. Je crois qu’il associe entropie et équilibre thermique et la gravitation avec la notion d’intrication. C’est intéressant comme approche pourriez vous nous refaire un billet sur ces aspects car c’est tres déroutant et obscur pour un non physicien comme moi. Merci à vous en tout cas pour votre blog.

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