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 !
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.
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.
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.
Merci Aurélien, toujours aussi doué en vulgarisation 🙂
Salut, aide mois à comprendre la relativité générale, merci infiniment et excellente journée.
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 ?
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”.
Bonjour Monsieur barreau, je fais depuis vingt ans des recherches sur l ‘infiniment petit et l ‘infiniment grand à travers le cerveau, la matière musicale et la matière sonore en tant Qu enseignant musique. Je me suis aperçu Qu il y avait des analogies important avec la problème de la relativité générale et la mecanique quantique. J aurais bien aimé à l occasion vous en parler car je vois que dans mes recherches qu’ il y a une relation entre ces deux théories.
Bien Cordialement Michel Ghetti
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
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 !
Merci
Bonjour,
Vous dites que l’espace et le temps sont reliés à la matière. En ce sens qu’évoque, pour vous, l’importance du rayonnement cosmologique diffus… et des rayons gamma.
Merci pour votre réponse.
La recherche avance mais à la vitesse d’une tortue. Il y a des solutions pour unifier relativité générale et physique quantique en réfléchissant à des notions simples qui permettent de trouver des explications à des phénomènes connus de l’Univers : Pourquoi la température ne peut atteindre le zéro Kelvin, et pourquoi la vitesse de la lumière est-elle une constante en rapport avec les caractéristiques des atomes de Planck ?
Répondre à ces deux questions permet de définir une structure à l’espace, structure qui montre que l’espace est homogène dans tout l’Univers, mais qu’il est sensible à la présence des masses, sans qu’il ne soit courbe en aucune manière. Cette structure est faite de sphères stationnaires, et vibrantes de la dimension des atomes de Planck. Elles se heurtent au moment de leurs dilatations maximum, ce qui justifie le zéro Kelvin en l’absence de particules, et les impulsions dues aux parois vibrantes permettent la propagation des photons à la vitesse de la lumière. Tout ceci ne peut être expliqué à la faveur d’un simple commentaire, mais fait l’objet d’une théorie complète et cohérente que je viens de publier aux “presses du midi” sous le titre de “La naissance de l’Univers, et si c’était aussi simple” . Car cette structure de l’espace doit être celle ayant préexisté au Big Bang, et existant au delà des limites actuelles de l’Univers qui est en expansion. C’est une théorie révolutionnaire, mais certains des éléments figurant dans la théorie de la gravitation à boucle s’y retrouvent. Sans se forcer elle permet de décrire le Big Bang et les forces, particules et rayonnements auquel il a donné naissance ! Et c’est plus simple que ce que l’on imagine.
La présentation de cet ouvrage peut être vue sur YouTube. Librairie numérique de Monaco. Gérard Blanvillain. Cela ne dure que huit minutes….
Je rajoute un deuxième commentaire, qui va étendre le champ de découvertes du premier ;
L’Univers est un camp de masses quantiques nées au moment du Big Bang et mues par la gravitation quantique dans un champ quantique en expansion. Un indice de plus, l’expansion est due à l’attraction d’un vrai vide à la vitesse de la lumière, en périphérie de la frontière de l’Univers. Ce vrai vide, comme son nom l’indique est un vide dans lequel il n’y a rien , donc pas de structure ! Il résulte de l’absorption d’ une partie des quanta vibrants formant l’énergie de l’espace et préexistant au Big Bang, par celui-ci . Ces quanta absorbés sont les ferments de la matière et des ondes actuelles qui caractérisent notre Univers!
la physique oscille entre discret et continu choisissant selon les modes l’un ou l’autre pourquoi ne pas utiliser la contiguité localement séparée globalement continue ? j’ai commis comme tout amateur qui se prend pour einstein la chose suivante à propos de certaines singularités géométriques dans pdf archive : ” pour une géométrie de la contiguité”
l’espace et le temps sont-ils contigus?
Il est possible de répondre oui si l’on considère est fait d’une trame de quanta stationnaires et vibrants constituant le vide quantique. Ces quanta ont les caractéristiques des quanta découverts par Planck. L’expansion de l’Univers se faisant dans ce champ, les durées entre vibrations sont constantes et correspondent au temps de Planck qui est de dix puissance quarante trois fois par seconde. La seconde n’est qu’une unité terrestre, mais la durée de vibration est une valeur intrinsèque, la même partout dans l’Univers. Toute zone, comprise dans ce maillage, peut alors être considérée comme faite de quanta définissant un espace et vibrants comme le temps. C’est un espace-temps. Il apparaît que les vibrations s’accumulent toujours par addition, ce qui définit une flèche du temps. Tout déplacement d’un corps dans cet espace se fera donc toujours en fonction du temps qui s’additionne, et il ne sera jamais possible de revenir dans un temps passé quelle que soit la direction du déplacement.
imaginons que vraiment les antiparticules remontent le temps
avec un operateur on transforme toute la matiere de l’univers
en antimatiere
globalement on obtient un vrai big crunch avec disparition d’entropie, symetrie du temps et des brisures de symetries
on ne se pose pas la question ou est passée l’antimatiere car elle va seulement apparaitre
l’espace et le temps sont-ils contigus?
Merci Aurélien!
Des explications plus claires que les grands théoriciens qui s’évertuent dans le genre de la librairie! Vous devriez écrire des livres!
Vous parlez de l’Univers Rebond. Pour ma part, en simple lecteur non spécialiste, je pense plutôt à la théorie du big-bang et du big-crunch confondus ou plutôt conjugués: ce qui entraînerait le phénomène mystérieux de la Gravitation générale “quantico-relativiste” à deux horizons: hydrogène et oxygène.
Je l’appelle la théorie du big-Around: tourner autour en tant que vitesse d’un corps céleste et position solaire contre-rotative, permettant de masquer la nature du temps et donc le véritable champ porteur du paradoxe microscopique: le nôtre. celui du facteur de cérébralité oublié par Einstein, c’est-à-dire la masse quantique cérébrale impliquée dans la projection de la masse générale observable. La clé du mystère est sans doute ici et nulle part ailleurs. Après tout dépend pour quelle raison on cherche: améliorer la condition humaine; ou bien la dépasser!
Merci Aurélien pour vos explications assez claires! En fait, la gravitation quantique ça fait un peu penser à du Vacherin de pâtissier d’après les schémas que vous montrez dans le blog.
Bonjour monsieur,
Tout d’abord bravo pour votre blog. Même si je n’ai pas les bagages nécessaires pour aller très loin dans ces théories, je n’en suis pas moins particulièrement intéressé par certaines. Au fil de mes lectures j’en suis venu à me demander si finalement nous ne nous étions pas fourvoyés dans la physique moderne en considérant, un peut naïvement , que touts nos beaux modèles mathématiques suffiraient à décrire le monde qui nous entoure…. Peut être celui que nous sommes capables d’appréhender (et encore), mais nous touchons à nos limites quand il s’agit de l’infiniment petit ou de l’infiniment grand. Des êtres pensants dans un univers à 2 dimensions arriveraient ils à décrire toutes les lois et subtilités d’un univers à 3 dimensions …. 🙂 . Notre cerveau ne montre t’il pas tout simplement ses limites à essayer d’interpréter un univers ou le temps n’existe pas (quantique), où les dimensions ont multiples (multivers) ? Comment dans ce cas continuer à avancer ? N’est il pas tout simplement venu le temps de passer la main à une autre forme d’intelligence ? On commence à parler d’un univers qui en fait serait né de l’information (sous quelle forme d’ailleurs ?). Ceci coïncide étrangement avec l’arrivé des calculateurs quantiques et le développement de l’IA . Le passé nous a montré qu’il y avait peut de place aux coïncidences dans les développements scientifiques, et que d’une façon ou d’une autre nous arrivions toujours à progresser dans notre connaissance de l’univers. Notre cerveau est trop ‘limité’ pour avancer, qu’a cela ne tienne, nous allons en construire de plus performants ….
Au plaisir de vous lire bientôt sur votre blog.
Bonjour à tous.
Je voudrais signaler que j’ai rencontré Aurélien Barrau quelques minutes à la fête du livre de Toulon à laquelle il participait. Je lui avais transmis quelques temps auparavant un exemplaire de mon livre “Laa naissance de l’Univers, et si c’était aussi simple”.
Livre qui soit dit en passant m’a coûté une quinzaine d’années de recherches et n’est donc pas que la simple émergence d’une idée qui me serait venue brutalement.
Aurélien m’a confirmé l’avoir reçu et qu’il me répondrait dès qu’il l’aurait lu. A l’occasion de cette rencontre, pour m’assurer qu’il ne l’avait pas égaré je lui ai remis un second exemplaire, et il m’a encore assuré qu’il me répondrait…. C’était il y a près d’un an, et j’avoue que j’aimais bien Aurélien qui me donnait l’impression d’avoir un esprit ouvert et digne de confiance, c’est à dire en qui je pouvais croire aux promesses.
Aussi je lui relance ma demande . Et je voudrais savoir pourquoi il ne répond pas. Que ma théorie lui paraisse spéculative, je le veux bien. Mais je peux en dire tout autant de la sienne. A qui peut-il faire croire qu’un Univers rebond est possible et que ce n’est pas pure spéculation, alors que son accélération va à l’encontre d’une telle théorie ? Sans compter qu’Aurélien n’a pas l’ombre d’une idée sur la raison du Big bang. Alors que celle ci peut s’imaginer, sans que cela soit spéculatif si l’on accepte, ce qui est logique puisque la température est en décroissance continue depuis le Big bang, donc que l’Univers s’étend dans un milieu de température absolue nulle.
Je redonne mes coordonnées pour que les personnes intéressées puissent me demander un PDF de mon ouvrage : gblanvil1@gmail.com.
Et par la même occasion j’adresse un défi à Aurélien Barrau, celui de participer à un débat sur ce sujet, auquel il faudra bien qu’il me réponde.
Bonjour Aurelien,
Ancienne illustratrice en topologie (malgré moi) de l équipe qui aida Jaques Lacan dans sa phase Bormeenne, et plus, je suis intriguée par la première image incluse dans ton texte. Peux tu me dire ce qu’elle représente ou me donner toute information la concernant. Merci.
Soize
Bonjour Mr Barreau,
Merci pour vos talents de vulgarisation. Ce sujet intéresse autant les spécialistes du domaine que les non spécialistes. Si l‘on reprend le terme de gravité quantique, on ne peut pas oublier que c’est Einstein qui introduit le terme, et qu‘il fut en désaccord avec les principes développés pour comprendre la mécanique quantique qu‘il avait pourtant fonde. Comme vous le rappelez, les principes chers à Einstein sur la gravité avec un espace temps relatif s‘applique avec une grande complexité au monde quantique. Dirac fera le pont en trouvant une équation utilisant la relativité restreinte pour une particule. Mais pour la relativité générale, ou l‘energie courbe l‘espace temps, le problème est plus ardu!
Des mathématiciens comme Kaluza Klein ou Hermann Weyl avaient proposé des solutions, mais elles ne trouvèrent pas satisfaction au physicien. Il travailla aussi avec Wheeler sur la geometrodynamique une forme d’aboutissement de ses idées, sans succès. Ces trentes dernières années, Einstein se consacra à sa théorie unitaire des champs. Pourquoi ne fut elle pas étudiée ?
Les dernières voient de recherche chamboulent le point de vu de l‘espace temps einsteinien; dimensions supplémentaires, Disparition du temps sous un certain seuil, absence de temps..
L‘espace temps émergerait alors d’une structure pré géométrique, mais qu’elle est-elle? Une corde, une boucle, et quelle réalité physique pour ces objets mathématiques ?
Comment cette pré structure decrit le point de vu einsteinien et l‘univers quantique ? Cette Prestructure semble créer une limite entre le monde quantique et relativisite en dissociant leurs effets par un phénomène d‘echelle. Est ce une étape vers l‘unification ?
le rebond est une théorie qui semble très intuitive et qui tient debout. Mais elle ne permettra pas de répondre à la question essentielle : d’où vient tout cela car le mouvement perpétuel, ça on croit le savoir, n’existe pas. Donc pour moi, cela fait progresser mais c’est une manière de pirouette, repoussant la compréhension de cette intelligence infinie qui nous dépasse.
Et oui ! l’espace et le temps sont certainement relié à la matière ! vous avez raison et merci pour vos articles que je viens de découvrir !
J’aimerais en savoir plus sur la possibilité de faire des prédictions expérimentales ou observationnelles… Merci pour cet article