Quelques rêveries cosmiques cosmoquant-fr

Le-contexte

Introduction sans prétention à la cosmologie quantique.

Comme indiqué sur la page d’accueil de ce site, je tente de construire une théorie de « cosmologie algébrique ». Cette démarche s’inscrit au sein d’un ensemble d’approches portant le label de « cosmologie quantique ».

La période actuelle montre un engouement certain pour le sujet.

Si vous tapez dans votre moteur de recherche préféré les deux mots « cosmologie » « quantique » (ou, pour ceux qui ne rechignent pas à lire ce qu’en disent les anglophones « quantum » « cosmology ») parce que le sujet vous interpelle un peu, vous serez impressionnés par le nombre de réponses et de sites traitant le sujet.

Pour ne citer que quelques exemples : l’incontournable Wikipédia, astrosurf.com, techno-science.net, futura-sciences.com, ca-se-passe-la-haut.fr, researchgate.net, les interviews de Carlo Rovelli ou de James Hartle sur YouTube, la revue Springer, le dépôt arXiv, sciencedirect.com, futury.org, le journal Nature, mdpi.com, aps.org, space.mit.edu (le fameux MIT), worldscientific.com, academic.oup.com (l’Université d’Oxford), scientificamerican.com, cambridge.com (l’université de Cambridge), imperial.ac.uk, degruyter.com, academia.edu, et (mea culpa) tous ceux que j’oublie.

Pour une thématique qui était, il y a quelques petites années à peine, très discrète et à la limite de l’hérésie, les choses ont terriblement changé.

Je ne m’en plains pas puisque mes modestes suggestions et essais dans ce domaine (par exemple : la loi de Tully-Fisher est-elle une manifestation de cosmologie quantique ?) cessent peut-être enfin de générer des sourires polis mais moqueurs. Cette proposition est la conséquence du travail écrit en français tendant à prouver que les parties principales des décompositions des produits tensoriels déformés peuvent s’interpréter comme des opérateurs quantiques.

Quel évènement récent justifie donc un tel revirement et un tel regain d’intérêt ? Ce sont deux questions que je me suis posé et auxquelles je vais essayer de fournir quelques éléments de réponse.

Une discipline à l'existence en principe improbable.

Mais avant cela, il semble légitime de se demander qui a commencé à proposer ce concept liant deux mots désignant des domaines physiques agissants chacun à une extrémité de l’échelle des grandeurs ?

En effet, la cosmologie se préoccupe en effet de distances intergalactiques (des milliards d’années-lumière) alors que l’approche quantique s’intéresse aux dimensions comprises entre celles des atomes et la longueur de Planck ?

Dit crûment, les domaines de définition de ces deux disciplines sont a priori totalement disjoints. Alors … quel détour de la pensée humaine a-t-il poussé à vouloir les faire se télescoper mentalement ?

La question est d’autant plus justifiée que dès 1969, Misner (un des trois auteurs du livre désormais mondialement connu « Gravitation »)  publie [Quantum Cosmology I, Phys. Rev. 186, 1319 - published 25 October 1969], un article utilisant la procédure dite A.D.M (3 + 1 de notre côté de l’Atlantique) dans lequel il parvient à quantifier la métrique spatio-temporelle et démontre qu’il n’y a aucune contribution notable des états caractérisés par de petits nombres quantiques … même dans en descendant à l’échelle de Planck.

De quoi parle-t-on ?

Martin Bojowald qui passe pour être un des maîtres d’une approche modernisée sur le sujet explique dans [Quantum cosmology : a review ; arXiv :1501.04899v1 [gr-qc] 20 January 2015] les fondements intellectuels de cette théorie : la volonté d’appliquer les lois de la physique à toutes les échelles de grandeur.

Ceci valant aussi bien pour la théorie de la gravitation que pour la physique quantique. Il explique ensuite les difficultés conceptuelles et techniques à mettre en œuvre ce beau principe.

Des fondations théoriques multiples et incertaines.

L’une des épreuves à surmonter concerne la quantification de l’espace-temps lui-même puisque la théorie de la gravitation d’A. Einstein en a fait un objet physique à part entière se substituant d’une certaine façon à l’éther et s’inscrivant dans une démarche privilégiant la notion de champ. Il a son existence propre et peut se déformer (ondes gravitationnelles, effet Thirring-Lense, etc.). Ce qui a justifié la création d’une discipline, la « géométrodynamique », dans les années soixante-dix.

Une autre difficulté de taille tient au fait qu’une théorie de cosmologie quantique va forcément se baser sur les résultats d’une théorie de gravitation quantique.

Or il n’y a à ce jour aucune théorie de gravitation quantique stable et validée par l’expérience s’appliquant à un univers de dimension quatre !

A la place de cela, il y a des dizaines d’essais.

Si la théorie des boucles quantiques parvient bien à quantifier longueurs, surfaces et volumes grâce à des procédures mathématiques qui ne sont pas simples à comprendre et à maîtriser, les rares expériences menées pour tenter de mettre en évidence ces quantifications dans la réalité physique ne participent pas à clarifier la situation et elles ne mènent à aucun verdict indiscutable ; la conclusion est au mieux du genre : « S’il existe un maillage de l’espace-temps, sa taille se situe très en dessous des dimensions accessibles aux instruments actuels ».

Des doutes.

Cette indécidabilité expérimentale rend désormais pertinent de se demander ce qu’il faut quantifier pour réaliser la jonction entre gravitation et physique quantique.

Même si les articles peuvent se ranger dans quelques catégories désormais devenues populaires aux yeux d’un public semi-averti (théories des cordes, théories de la géométrie non-commutative (voir une modeste introduction au concept à travers un exemple d'application au niveau de la page : anticommutativité), théorie des boucles quantiques, théories de supersymétrie, etc.), aucune vision satisfaisante ne parvient à émerger et à imposer son point de vue.

A tel point que même l’auteur se demande pourquoi il faudrait continuer à s’intéresser à cette thématique ?

Les arguments positifs avancés pour poursuivre dans cette voie n’ont finalement pas de lien exclusif avec elle.

La cosmologie quantique semble être devenue un alibi, un puissant moteur boostant les recherches fondamentales tous azimuts, un poil à gratter obligeant à poser des questions mettant en doute notre cosmologie actuelle ou à explorer plus à fond les questions qu’elle sous-tend mais auxquelles nous n’avons pas encore pris le temps de répondre.

Ces constats rejoignent indirectement un avis exprimé en 2020 par Dyson Freeman lorsqu’il suggère de pousser la quête sur la piste d’une comparaison entre gravitation quantique et thermodynamique, au lieu de s’enferrer sur une quantification directe de l’espace-temps.

En effet, cette discipline illustre parfaitement comment un phénomène se déroulant à l’échelle microscopique (le mouvement des particules) est la cause effective d’un phénomène ressenti à l’échelle macroscopique : la température du corps au sein duquel se meuvent ces particules.

Un fait reste certain, les progrès accomplis pendant le siècle écoulé en astronomie et en cosmologie ont littéralement fait exploser les frontières de l’univers connu. Le nombre de galaxies, d’étoiles et de planètes oblige à introduire la statistique des grands nombres dans l’arsenal des outils devant nous aider à le modéliser.

Une piste d'espoir : la recherche sur les spins (la spintronique).

En contrepoint aux doutes émis sur la quantification de l’espace-temps, il convient cependant d’opposer d’autres efforts initiés dès 1936 par I. I. Rabi et ses collaborateurs [On the Process of Quantization, Phys. Rev. 49, 324 - published 15 february 1936].

Car ces efforts, grâce à l’expérience dite de Stern-Gerlach, ont en effet mis en évidence le spin atomique et la quantification des moments angulaires ; voir une introduction au travers d'un exemple d'application sur la page : Les solutions de Bowen-York revisitées.

Le sujet continue d’ailleurs à fasciner au plus haut point les chercheurs aujourd’hui ; voir par exemple [Proposal for Sequential Stern-Gerlach Experiment with Programmable Quantum processors ; arXiv :2208.00167 [quant-ph].

Le regain récent d’intérêt pour ce type d’expérience suggère de s’attarder préférentiellement sur les moments angulaires et non sur la structure géométrique qui n’est peut-être qu’un effet macroscopique observable de données plus fondamentales.

© Thierry PERIAT.

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Date de dernière mise à jour : 05/11/2022