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.

15 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

    1. De souvenir, il me semble que les phonons sont des particules virtuelles ou des quasi-particules et on ne peut les trouver que dans un solide cristallin

  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.

  8. Bonjour,
    A propos de Newton, et de la gravitation :
    L’HYPOTHÉSE DE NEWTON

    L’histoire de l’hypothèse de Newton est l’histoire de toutes les hypothèses. Un jour, un homme observe un phénomène, il s’arrête, il regarde, il s’étonne, il cherche, puis il se fait à lui-même une réponse quelconque : c’est une hypothèse.

    Elle pourrait être juste, mais elle est, presque toujours, fausse, parce que les lois de la Nature sont cachées, complexe, et que, pour les connaître, il faut de longues études ou une inspiration extraordinaire, éclose, soudain, dans une tête de génie.

    Tel n’était pas le cas de Newton, car nous sommes en mesure de démontrer que toutes les théories qu’il a jetées dans la science sont fausses.

    En l’absence d’une science approfondie ou une inspiration juste, la réponse que font les hommes aux phénomènes qu’ils veulent expliquer est toujours adaptée à l’effet ultime, dernier, du phénomène ; elle s’applique à l’apparence, elle ne va pas au fond des choses.

    C’est une réponse de ce genre que Newton se fit à lui-même le jour où il se demandât pourquoi la pomme qui se détachait de l’arbre tombait sur la terre.

    La pomme « tombait », il en conclut que la terre avait la propriété d’attirer les corps. Et sur cette hypothèse, il formula une loi.

    Une réponse de ce genre, donnée aujourd’hui, serait accueillie par un immense éclat de rire. Mais du temps de Newton, on était moins difficile, on accepta l’hypothèse et on en fit une loi formulée en ces termes : « Tous les corps de la nature s’attirent proportionnellement à leur masse et en raison inverse du carré de la distance ».

    Une fois la loi faite, il arriva ce qui arrive toujours en pareil cas, des gens qui n’avaient jamais pensé à se demander pourquoi la pomme tombait, émerveillés de ce que quelqu’un ait eu l’idée de poser cette question, en conclurent que l’homme étonnant qui avait trouvé la question avait aussi trouvé la réponse. Du reste, pour discuter la proposition de Newton il eut fallu une science qui n’existait pas à son époque ; la chimie n’était pas née, on ne connaissait pas encore les propriétés de la matière, on ne savait rien de la cosmologie. Tout était à faire. On accepta donc comme une loi l’hypothèse posée, et, en vertu de cette tendance à l’exagération qui est le propre de la nature de l’homme, on mit une affirmation où l’auteur n’avait mis qu’un doute, on dépassa le but, on s’emballa dans une voie qui devait entraver, pendant deux siècles, le progrès des sciences physiques.

    En effet, cette loi de l’attraction, qui est fausse, se retrouve partout ; on ne fait pas un pas, dans la science, sans s’y heurter, on s’en est servi comme d’une cause universelle pour tout expliquer. Et, comme la loi est fausse, toutes les explications données à l’aide de la loi sont fausses.

    Si les hommes étaient sages, lorsqu’ils s’aperçoivent que l’expérience dément ce qu’ils lui soumettent, ils s’arrêteraient en chemin. Mais c’est ce qu’on ne fait jamais.
    PRINCIPE D’UNE NOUVELLE PHYSIQUE DE L’UNIVERS : LA PESANTEUR

    La pesanteur, cette force que l’on a si mal expliquée jusqu’ici, ne répond nullement à la cause qu’on lui a assignée. C’est un phénomène planétaire répondant à une cause particulière, spéciale aux planètes, et, en général aux astres non incandescents.
    https://livresdefemmeslivresdeverites.blogspot.fr/2017/07/la-force.html
    Cordialement

    1. De Gérard Blanvillain.
      J’apprécie tout à fait vos commentaires sur les hypothèses en physique. A son époque Newton ne pouvait faire mieux et il a ouvert l’esprit sur la gravitation à beaucoup de scientifiques, même si ses hypothèses se sont révélées s insuffisantes. Il en a été de même pour Einstein dont la théorie de la Relativité Générale se heurte à la physique quantique sans que l’on ait encore déterminé quelle théorie est vraiment la bonne puisque toutes deux prédisent des phénomènes qui sont vérifiés. Le problème provient de ce qu’à l’époque d’Einstein l’expérience de Michelson et Morley a démontré que l’espace était vide. Or ce vide cache une énergie réelle, celle du vide qui peut tout attirer avec une puissance extraordinaire. Or il est possible de démontrer que le Big bang a donné naissance à l’émergence de ce vide dans un espace qui lui n’est pas vide de tout mais est bel et bien quantique, c’est à dire fait d’une énergie quantique : C’est la grande différence entre le vide dans lequel nous vivons- une fois débarrassé de son atmosphère et des ondes qui s’y propagent- et qui contient une énergie quantique, avec un vide qui ne contient vraiment rien. Ce dernier est ce qui génère ce que l’on recherche comme étant l’énergie grise ou l’énergie du vide. Difficile peut-être de l’imaginer, mais qui explique pourtant l’expansion de l’Univers. L’énergie de ce vide est supérieure à l’énergie des masses de l’Univers. Et cette énergie se propage dans l’espace à la vitesse de la lumière. Elle est de valeur finie, tout comme l’énergie de l’Univers est également finie, correspondant à la somme des énergies des particules et masses qui le composent. Ce n’est pas possible de l’exposer en quelques lignes, mais une énergie constante se propageant à la vitesse de la lumière se fractionne. Cette expansion a débuté avec le Big bang, à partir du lieu où il s’est produit. Et chaque fragment va attirer un certain nombre de galaxies, ce qui va expliquer la divergence de leur propagation, et donc le décalage vers le rouge de la lumière qui les caractérise. Nous pouvons comprendre l’expansion de l’Univers à partir de ce vrai vide, et également la gravitation quantique à partir du vide différent qui est le vide quantique.
      Tout cela est décrit dans le livre intitulé  » La naissance de l’Univers, et si c’était aussi simple », édité par les Presses du midi et que l’on trouve sur les réseaux de la Fnac , d’Amazone ou de la librairie numérique de Monaco.
      J’aimerais qu’Aurélien Barrau me contacte à mon adresse mail, gblanvil@gmail.com. J’enverrai également un pdf de ce livre à tout lecteur qui m’en fera la demande en m’envoyant son adresse mail. La théorie dite préquantique qui est celle qui y figure répond à un nombre impressionnant de questions sur l’Univers.

  9. Bonjour Monsieur BARRAU, et un grand merci pour ce partage de connaissances. J’ai essayé de comprendre Erik Velinde car j’adhère assez, même sans être physicien, au fait que plutôt que d’inventer des énergies et matières noires pour faire coller les observations aux théories de la gravitation, il faut peut-être voir la gravité sous un autre angle que celui posé par Ms Newton et Einstein. Tout fait penser que la gravitation est une ‘anti-accélération’, se pourrait il qu’elle soit l’effet d’un différentiel d’accélération qui pourrait donner cette impression d’attraction, un peu quand on est dans un train à l’arrêt à coté d’un autre train, et que l’on croit qu’on bouge par ce que c’est l’autre qui part ? La principale source d’accélération ne pourrait-elle pas être cette source d’énergie d’expansion de l’univers qui s’applique en chaque point « Planck » qui se propagerait en ondes à une vitesse nominale ‘C’, et qui serait ‘freinée’ aux points d’interférence de ces ondes qui deviendrait des nœuds de matière (transfert de E vers M). En pensant dans ce sens, l’expansion de l’univers serait moins rapide au endroit ou la matière se concentre, et plus rapide ailleurs, des effets de gravité différents qui pourrait expliquer la masse noire ou l’énergie noire. En plus, dans cette vision, plus de trou dans l’espace temps, un trou noir serait un endroit ou toute l’énergie d’expansion serait canalisée dans la matière sans pouvoir dégager un petit surplus dans a longueur d’onde de la lumière, moteur calé. J’avais envoie de partager cette vue, est ce que quelque chose ressemble à çà dans les théories actuelles ? Merci de votre lecture.

  10. Article intéressant!
    Mais quand l’observateur d’Einstein tient en hauteur la balle dans le wagon avant de la laisser tomber, il ne faut pas oublier que l’individu compense la « gravité » et donc aussi la masse de la balle grâce à son système corporel. Il n’est pas obligé de la lâcher tant qu’il « résiste » à la valeur de la masse tendue à bout de bras.
    Par conséquent, la « Gravité émergente » appartient aussi à l’unité humaine qui se tient debout, et qui peut se voir également limitée lors d’une accélération fulgurante:
    tout est à revoir!
    L’ascenseur en chute libre d’Albert Einstein est bien joli: mais si on place Einstein face à différentes accélérations verticales dans l’autre sens, c’est-à-dire en sens inverse de la pesanteur, son système cardio-respiratoire atteint à moment donné des limites de connaissances qui conduiront justement à la perte du repère de la pesanteur « consciente »: soit le malaise bien connu d’un pilote de chasse ou « voile » devant les yeux.
    La théorie d’Albert Einstein est donc fortement incomplète: la notion de relativité générale et donc gravitationnelle doivent pouvoir aussi s’expliquer avec la révolution cardiaque en parallèle de la révolution copernicienne!
    Honnêtement, si l’homme veut un jour voyager dans l’espace à très haute vitesse, il manquera certainement cet ordre du temps cardio-pulmonaire qui dépasse et s’associe de manière légitime au temps propre relativiste: avec ce dernier absent de toute part consciente. Et non pas psychologique!
    Mais vers quelle aberration va la physique du 21ème siècle sans se remettre en question par rapport au génie incomplet d’Albert Einstein???

  11. Moi, ce que j’aime bien dans la petite infographie de la Légende à la Pomme de Newton, c’est que tout le monde voit que la pomme tombe, y compris Newton;
    mais la Physique moderne du 20 ème siècle depuis Einstein dit aussi que le temps-conscience du Sujet [la durée] n’existe plus tellement, et qu’il s’agit plutôt d’un effet psychologique d’après Albert Einstein depuis son avènement face aux philosophes comme Bergson et autres!

    N’est-ce pas de la néguentropie bafouée?

    Est-ce qu’Isaac Newton est une sorte de légume sans jugeote qui attend sous le pommier face à l’observation de la pomme qui tombe vers le sol??

    Ne représente-il pas justement une neutralité dont la nature sait laisser passer le temps du mouvement???

    Est-ce que l’arbre qui retient la pomme n’a-t-il pas eu un temps de croissance lui aussi ??? Et qui s’oppose à la pesanteur?

    Mais il suffit que la pomme lui tombe sur la tête pour témoigner que deux aspects identitaires se rencontrent entre matière et esprit.

    On peut donc affirmer que la légende de la pomme de Newton peut correspondre à une expérience de pensée que le célèbre Einstein aura évité de commenter! De peur que la théorie de la Relativité ne (re)tombe entre célérité et cérébralité, où le temps du sujet existe bel et bien en parallèle du restant de la mécanique universelle.

    1ère phase, la pomme de Newton tombe en parallèle de Newton: celui-ci peut l’observer grâce à son temps propre de conscience dont la durée de vitesse à réflexion lui permet d’analyser la trajectoire.

    2ème phase de l’expérience de pensée, la pomme de Newton tombe en série par rapport à Newton, c’est-à-dire dans son axe vertébral: alors qu’une première vient de se décrocher devant ses yeux et ses oreilles, ne les oublions pas, une seconde pomme se décroche dans l’axe de la verticalité de Newton où celui-ci la reçoit sur la tête.
    Pendant un court instant, son temps propre de conscience et non pas relativiste, est interrompu sous le choc de la formule E=hrôg, où la moindre interprétation de lui-même et de la pomme, c’est-à-dire l’ensemble du monde environnant, est suspendue sans conscience du moment analytique:
    le Sujet Newton dispose donc bien d’un temps du Sujet qui s’oppose à la mécanique relativiste d’Albert Einstein.
    La philosophie d’Albert Einstein est donc remise en question grâce à cette légende « pommonale »!
    Voilà donc l’expérience de pensée qui défi tous les physiciens du Monde: la pomme de Newton!!!
    Nous voilà revenus à la vérité! Le temps oublié de conscience et bafoué par Einstein: si bien que la Physique n’avance plus en terme de renouvellement fondamental! Normal! Albert Einstein s’est imposé comme un castrateur de conscience!!!
    Qu’en pensez-vous Aurélien Barrau?
    Est-ce que la Physique et l’Astrophysique pourront sauver l’humanité sans le temps de conscience humain??
    On peut émettre un doute certifié!
    Je pense donc je suis le fil de la Pensée: et j’ai la possibilité du libre-arbitre d’Être et Suivre ce processus cognitif.
    C’est donc bien l’axiome de Descartes qu’il faut revoir: Être-Suivre-Avoir. La triangulation consciente minimale.
    On en est loin! Si loin que la Science se perd à 13,7 années-lumière vers le passé du Big-bang!!!
    Désolé, mais l’expérience de la pomme de Newton est une autre vérité pertinente: qui voudra bien l’entendre et l’accepter?
    Personne aujourd’hui dans le cadre de la Physique du temps moderne d’Albert Einstein: et bien c’est une belle erreur sans fin!
    [ Demandez à un pilote de chasse qui vole à Mach 2 si quand il tire sur les volets ascensionnels dans quel cadre de temps il se trouve??? à quoi sert la combinaison anti-G???]
    Allez!! Bonne chance! On se demande si vraiment vous êtes intelligents!!!

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