Dossier Pour la SCIENCE 93 – Octobre-décembre 2016

Les promesses du monde QUANTIQUE

Rencontre avec Pierre Binétruy, propos recueillis par Maurice Mashaal

La théorie de la relativité générale est validée par les expériences et les observations, elle a expliqué l'avance du périhélie de Mercure et prédit la déviation des rayons lumineux par le soleil et prédit les ondes gravitationnelles dont l'existence fut confirmée par le détecteur LIGO en septembre 2015. il en va de même du principe d'équivalence qui a pour conséquence que, soumis à un même champ de gravité, tous les corps chutent avec la même accélération. Démonstrations faites en champs faibles. Les ondes gravitationnelles observées naissant de la fusion de deux trous noirs confirme que la gravité en champ fort est bien décrite par la théorie. En revanche elle n'est pas encore testée dans le domaine microscopique, la gravitation n'a été mesurée qu'à des échelles supérieures au micromètre.

Aujourd'hui il n'existe pas de théorie non quantique pouvant être des alternatives à la relativité générale bien que certaines furent élaborées pour expliquer des aspects gravitationnels énigmatiques, comme la matière noire qui ne colle pas avec la relativité générale. Impossible de modifier la force de gravitation ou d'ajouter une cinquième force fondamentale. Aucune théorie alternatives ne rend compte de toutes les échelles à la fois. Peut-être la gravité est-elle irréductiblement de nature classique mais il semble qu'une théorie quantique soit nécessaire. La relativité fait apparaître des singularités au centre des trous noirs ou à l'origine du Big Bang qui posent des questions sur la structure de l'espace-temps à l'échelle de Planck (10^-35 mètre) construite en combinant les trois constantes fondamentales (G, c et h) de la relativité générale et de la physique quantique. À cette échelle la gravité devient aussi intense que les autres forces qui relèvent de la théorie quantique qui décrit un monde où la matière est discontinue ; peut-être en est-il de même de l'espace-temps. Celui-ci, avec la relativité est dynamique en interaction avec la matière et l'énergie, en physique quantique il n'est qu'un cadre passif où se déroulent les phénomènes : visions contradictoires qui sont à concilier. 

La difficulté de construire une théorie quantique de la gravitation à partir de la relativité générale vient d'abord de l'impossibilité d'utiliser le procédé mathématique habituel permettant de passer d'une théorie classique à l'autre.

Deux approches sont explorées pour construire une théorie quantique de la gravitation. La première en quantifiant la gravitation en oubliant les autres interactions fondamentales. C'est la ''gravité quantique''. L'autre approche consiste à aborder de front l'unification des quatre interactions fondamentales. Elle est représentée par la théorie des cordes dans un monde à plus de 4 dimensions où les dimensions supplémentaires seraient imperceptibles car minuscules et refermées sur elles-mêmes. L'idée vient de l'étude dans les années 1970 de l'interaction forte de deux quarks, elle revint dans les années 1980 dans une théorie plus globale considérant que les objets fondamentaux de la physique ne sont pas des particules ponctuelles mais des objets unidimensionnels, de minuscules cordes dont les différents modes de vibration correspondraient aux diverses particules observées. Pour des raisons de cohérence interne elle nécessite un nombre de dimensions spatiotemporelles supérieur à 4. un temps elle a semblé constituer un cadre permettant d'unifier les 4 interactions en présentant deux propriétés : elle prévoit l'existence de particules de masse nulle et de spin égal à 2, c'est-à-dire de gravitons véhiculant la force gravitationnelle. Elle est supersymétrique, elle fait correspondre aux particules de spin entier des particules de spin demi-entier, et inversement... cette théorie ne peut expliquer l'inflation ni l'accélération de l'expansion cosmique bien qu'elle ait eu quelques succès, le calcul de l'entropie de certains trous noirs. Elle pourrait servir d'outil d'analyse plutôt que de théorie du tout.

Il faut attendre l'observatoire spatial LISA, vers 2030 qui devrait permettre d'étudier avec précision l'horizon de deux trous noirs superlatifs en coalescence, et de tester avec une précision inégalée la théorie de la gravitation.

Malheureusement Pierre Binétruy est décédé le 1er avril 2017, ses livres et contributions aux revues scientifiques restent, indispensable pour qui s'intéresse à la cosmologie et aux interactions fondamentales. Un savoir qu'il savait rendre (presque) compréhensibles par n'importe qui, moi, par exemple.

Les hommes s'avançaient, groupés, peureux pour certains, ambitieux pour d'autres, chacun venu imprimer ses pas sur le goudron tiède d'un réel sur lequel reposait ce qu'ils appelaient espoir, sans comprendre que ce mot était le masque du mensonge.

Des mots résonnaient dans leurs têtes, y avaient fait leur nid et derrière ces mots des voix elles-mêmes faites de souffle, vent creux les poussant comme Éole balayant des fétus, avançant toujours, arrivant nulle part !

Quelques regards s'échangeaient, l'un cherchant en l'autre le désir qu'il voulait sien, comportement grégaire, présent partout, notamment dans le bassin méditerranéen.

Tous étaient satisfait, noyant dans le groupe sa peur de l'individualité, remâchant les mots résonnant dans les rues, slogans nourrissant les plus anciens instincts, accélérant les cœurs pour ralentir les esprits.

Sur la place l'épicerie et la boulangerie n'ouvrent que le temps de servir, les clients n'ont rien à demander, il n'y a pas de choix, ainsi le veut l'égalité. Se contenter de ce que l'on a, penser que c'est ce que l'on mérite, ne pas penser autrement, ne plus penser du tout.

Le principe fait loi, il ne faut pas chercher loin les origines de son nom vernaculaire, mais chut ! Tel le centième nom de dieu nul ne doit le prononcer.

Dossier Pour la SCIENCE 93 – Octobre-décembre 2016

Les promesses du monde QUANTIQUE

Lawrence Krauss

Les ondes gravitationnelles ont pu être émises quand l'Univers s'est dilaté exponentiellement en une fraction de seconde. Leur détection réconcilierait physique quantique et gravitation.

Après avoir raté leur entrée en mars 2014 elles refirent la une le 11 février 2016. Cette fois émises lors de la collision de 2 trous noirs à plus d'un milliard d'années-lumières de la Terre. En détecter venant du Big Bang nous aiderait à faire le lien entre les théories du monde subatomiques et celles du cosmos mais aussi démontrer l'existence d'autres univers.

Tout commença avec deux paradoxes apparents de l'Univers primordial, depuis sa naissance il n'a cessé de se dilater mais est resté plat. Quand la matière ou le rayonnement était la forme dominante d'énergie dans l'Univers, celui-ci aurait dû en se dilatant s'éloigner des caractéristiques d'un univers plat. Ce qui suppose que ses caractéristiques initiales ont dû être uniformisées or l'Univers est isotrope. La lumière d'un côté vient de parvenir jusqu'à l'autre côté, ces régions n'ayant pas pu communiquer comment ont-elles pu évoluer de façon si semblable ?

En 1980 Alan Guth trouva une solution à ces paradoxes. L'Univers aurait pu gonfler rapidement. Cette idée, l'inflation, s'inspire d'un pan central du modèle standard de la physique des particules : la brisure spontanée de symétrie décrivant ce qui se passe quand des forces unifiées se séparent. En se refroidissant, l'Univers âgé d'un millionième de millionième de seconde, a subi une transition de phase qui changea la nature de l'espace qui n'était plus vide mais empli d'un champ d'arrière-plan, dit ''de Higgs'', se développant à travers l'espace. Une brisure de symétrie aurait pu se produire quand l'Univers avait environ 10^-36 seconde. Auparavant trois des quatre interactions fondamentales, électromagnétique, faible, et forte, mais pas la gravité, auraient été connectées.

Explorer ce champ briseur de symétrie demanderait la construction d'un accélérateur 10 milliards de fois plus puissant que le LHC.

Il manque une théorie fondamentale décrivant le déroulement de l'inflation. Nous avons besoin de sonder directement l'Univers, ce que les ondes gravitationnelles primordiales permettraient. Mais la faiblesse de la gravité par rapport à l'électromagnétisme rend ces ondes difficiles à détecter. À sa naissance l'Univers était comprimé en un volume très inférieur à celui d'un atome, domaine où les règles de la mécanique quantique s'appliquent mais pour comprendre les propriétés de cet univers nous devons utiliser les idées de la théorie quantique des champs qui incorpore mécanique quantique et relativité restreinte (reliant l'espace et le temps).

Le découverte de ces ondes gravitationnelles de l'inflation bouleversera les deux piliers de la physique, n'ayant pu être générée qu'au cours de l'inflation cela nécessiterait de décrire la gravité par une théorie quantique, ce qui reste à faire.

L'inflation est entraînée par un champ qui stocke et libère de prodigieuses quantités d'énergie au cours d'une transition de phase, une fois le processus enclenché le champ entraînant l'inflation a tendance à se poursuivre à l'infini, ce qui empêcherait la création de l'Univers que nous connaissant où matière et rayonnement seraient dilués.

Heureusement (!) Andrei Linde a montré un moyen d'échapper à ce problème en montrant qu'à condition qu'une petite région de l'espace ait achevé sa transition de phase après une expansion suffisante, cette région pourrait englober tout l'Univers que nous observons aujourd'hui. Hors cette région l'inflation pouvait se poursuivre infiniment, avec de petites ''graines'' là où la transition de phases arriverait à son terme. De chacune de ces graines émergerait un univers isolé naissant dans un Big Bang.

Notre Univers serait une petite partie d'une structure infiniment plus grande qui pourrait contenir d'autres univers, certains déjà formés, d'autres, à venir. La physique gouvernant chaque univers pourrait être différente. L'hypothèse du multivers suggère que le nôtre serait un parmi une quantité faramineuse.

L'exploration de la polarisation du rayonnement fossile ouvrira sans doute une nouvelle fenêtre sur l'Univers, nous ramenant au commencement du temps et à des distances incomparables avec celles que nous avons imaginé jusqu'alors.