Quelques rêveries cosmiques cosmoquant-fr

Peut-on-les marier ?

 Le passé nous charge de ses problèmes non résolus. Parmi eux, la dichotomie introduite au début du vingtième siècle par l’avènement de deux théories fondamentales : (a) celle d’un solitaire, Albert Einstein, approfondissant notre compréhension de la gravitation et (b) celles des nombreux pères de l’approche quantique de la réalité.

Voilà un siècle environ que les cerveaux les plus doués de cette planète s’épuisent à analyser la situation, se demandant si le hiatus implicite entre les deux visions doit et peut être comblé par l’élaboration d’une synthèse que la littérature labelle souvent par deux mots juxtaposés « gravitation quantique ».

Les lecteurs intéressés par une présentation littéraire et philosophique du sujet trouveront sans doute du plaisir à parcourir un texte en français sur le sujet [01].

Freeman Dyson était parvenu à la fin de son existence (2020) à la conclusion déplaisante pour les inconditionnels de la théorie de grande unification qu’il n’y avait pas de motif suffisant à croire cette unification possible.

Il évoquait l’idée séduisante que la gravitation est la manifestation macroscopique d’une grandeur physique encore à identifier ; à l’instar de ce qu’est la température en thermodynamique : la manifestation du mouvement collectif des molécules [02].

Les bases sont-elles solides ?

Je n’aime pas copier les autres ; mais je n’aime pas non plus être en reste. Certains blogs s’intéressent très fortement à l’existence d’expériences pouvant justifier qu’on veuille absolument poursuivre les recherches théoriques en direction de la découverte d’une théorie quantique de la gravitation ou d’une théorie décrivant des champs de gravitation quantifiés. Ils s’interrogent par conséquent aussi sur le fait de savoir si nous sommes certains de nos bases pour ce qui concerne la gravitation. Il y a derrière cette démarche une logique inattaquable.

Un peu d'histoire.

A ce propos, il est sans doute inutile de vouloir faire remonter l’histoire de la gravitation au-delà de l’œuvre de Newton. Il est le personnage qui, le premier, a réussi à comprendre le lien profond connectant la pomme tombant de l’arbre, le phénomène des marées et les rotations de la lune autour de la terre. Il a introduit la loi en inverse du carré (la dépendance en 1/r^2) caractéristique des forces de gravitation entre les corps massiques et, peut-être plus important encore, l’équivalence entre la masse inertielle et la masse gravitationnelle.

Pour autant cette théorie incontournable ne permet pas d’expliquer certaines observations qui, au contraire, ont fait le succès de la théorie de la relativité restreinte puis celui de la théorie de la gravitation promue par A. Einstein (l’avance du périhélie de Vénus et la déflection des rayons de la lumière par les fortes concentrations de masse, l’effet Lense-Thirring, les effets retards, les ondes gravitationnelles, etc.).

Un peu plus tard encore, les observations astronomiques s’intéressant aux vitesses de rotation de certaines galaxies ont à nouveau plongé la communauté scientifique dans l’embarras et fondé quelques essais théoriques encore fort discutés (ex : MOND), voire discutables, sur la plausibilité desquels tous ne parviennent pas vraiment à s’entendre.

Pour l’heure, les avis se partagent très fortement car entre :

  • une modification des équations de la théorie de la relativité générale (adjonction d’une source supplémentaire – même si la nature en est inconnue),
  • une meilleure prise en compte de la répartition de matière baryonique observée sans modification de la théorie (C’est ce qu’ont tenté de faire les équipes ayant participé au projet « Millennium Simulation ») et enfin,
  • le scepticisme sur les deux approches précédentes et la non remise en cause des données recueillies,

la panoplie des prises de position est vaste.

Une seule chose devient certaine : la théorie newtonienne ne fonctionne pas toujours bien et ceci justifie l’usage de la relativité générale qui, si elle n’est pas parfaite.

Quelles expériences à l’appui d’une théorie de la gravitation quantique?

Si les théories de la gravitation quantique sont actuellement pléthores (voir par exemple les travaux pionniers de S. Carlip ; en particulier son livre : « Quantum Gravity in 2 + 1 Dimensions »), les propositions d’expérimentations

  • raisonnablement compliquées,
  • d’un cout abordable et
  • réalistes

manquent encore cruellement. Ce constat sème le doute chez une partie des chercheurs. Ils s’interrogent sur la nécessité même de poursuivre sur cette voie.

D’un autre côté, je me demande si la nature n’expose pas déjà sous nos yeux les preuves de ce que nous cherchons en vain ? Je sais que, dans une analyse classique de l’atome, les forces de gravitation (de type Newton) sont infiniment moins intenses que les forces de Coulomb et donc qu’il est coutumier de négliger les premières.

Pour autant, les atomes sont bien le lieu historique de la naissance des considérations quantiques. Ce fait suggère de s’interroger : « Ne seraient-ils pas par hasard la réalisation « vivante » de cette union théorique que nous avons tant de peine à formuler ? Par exemple, la topologie des orbitales atomiques (ces zones réputées êtres des régions de probabilité de présence) ne serait-elle pas une manifestation indirecte des interactions entre la gravitation et des champs électromagnétiques confinés ? »

Les questions sont posées. Elles n’ont pas encore de réponse.

Le mystère de l’énergie sombre et la naissance de la cosmologie quantique.

Parallèlement à toutes ces méditations, il reste un océan inconnu à explorer ; il s’appelle « l’énergie sombre ».

Les régions vides de notre univers représentent l’énorme majorité des volumes connus. Les simulations récentes donnent aujourd’hui une première idée de leur immensité et de la topologie des répartitions de matière.

La matière visible y est dispersée en longs filaments intergalactiques. Leur équation d’état semble s’apparenter à celle d’un fluide parfait (voir : « Ma vision du vide »). Ces régions sont donc, elles aussi, le terrain idéal sur lequel nous nous attendons à pouvoir confronter harmonieusement la relativité générale et la mécanique quantique. Cette remarque fonde une discipline apparue très récemment dans l’histoire de la physique, à savoir : « La cosmologie quantique ».

La démarche de la théorie de la question (E).

C’est la raison profonde pour laquelle, j’ai choisi :

  • d’introduire la notion de corde élastique classique pour étudier l’équation d’état des régions vides ;
  • de réétudier ce moment crucial de l’histoire de la physique contemporaine qui s’étend de Gauss au début des années 1930 avec l’avènement officiel de l’approche quantique. Sauf erreur de logique de ma part, il me semble avoir déniché un chemin logique permettant de relier le principe d’incertitude de W. Heisenberg aux solutions de la théorie de la relativité générale en passant par E. B. Christoffel et E. Cartan. La démarche est exposée sur la page « Le principe d’Heisenberg revisité » et, pour celles et ceux voulant pousser encore un peu plus loin, sur la page « A. Einstein versus W. Heisenberg ».

© Thierry PERIAT.

Vers la tête de chapitre : « Gravitation quantique ». 

Bibliographie.

[01] Le Bihan, Baptiste : L’espace-temps existent-ils ? Le mystère de la gravitation quantique ; Implications philosophiques, 2018.

[02] Dyson Freeman : Why General Relativity and Quantum mechanics can’t be unified; You Tube Channel : Nomen Nominandum, 2020.

Date de dernière mise à jour : 09/10/2022