Une brève histoire de la cosmologie

Sommes-nous certains de nos bases ?

Confrontés à la dureté du défi que représente la découverte d’une théorie quantique de la gravitation, certains blogs s’inquiètent de l’absence d’expériences pouvant justifier qu’on veuille absolument poursuivre les recherches théoriques dans cette direction.

Ils s’interrogent par conséquent aussi sur le fait de savoir si nous sommes vraiment certains de nos bases pour ce qui concerne la gravitation.

Il y a derrière cette démarche une logique inattaquable et tout à fait légitime.

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Une brève histoire de la cosmologie..

Il me semble que presque toutes les populations terrestres ont un récit légendaire contant l’histoire des premiers instants de leur civilisation.

En Europe, égyptiens, grecs et romains ont eu tour à tour leur point de vue sur la marche de l’univers et, plus modestement sur celle de la Terre, de la Lune et du Soleil.

Le chanoine Copernic, l’astronome Brahe et l’astrologue Képler ont, à n’en pas douter, marqué par leurs travaux convergents un tournant stratégique dans la compréhension du système solaire : les planètes tournent autour de l’astre de lumière et non pas l’inverse.

La théorie de Newton donne la dernière touche à ce changement de perspective en lui fournissant une assise mathématique.

Il est le personnage qui, le premier, a réussi à comprendre le lien profond connectant la pomme tombant de l’arbre et la gravitation terrestre ; le phénomène des marées et les rotations de la lune autour de la Terre ; et, peut-être plus important encore, l’équivalence entre la masse inertielle et la masse gravitationnelle.

Cette théorie incontournable, comme toutes les constructions théoriques humaines, dévoile lentement ses insuffisances.

Après presque trois siècles d’un rayonnement sans faille, de nouvelles observations et un nombre croissant d’expérimentations dessinent les limites de cet édifice.

Sans rapport immédiat avec elle puisqu’il s’agit de comprendre la propagation de la lumière, l’expérience de Morley et Michelson marque le début d’une nouvelle révolution de la pensée qui donnera naissance aux transformations de Lorentz, à la théorie de la relativité restreinte puis à la théorie de la relativité générale promue par A. Einstein.

Même si celle-ci met presqu’un siècle à convaincre la presque totalité de ses détracteurs, il n’est aujourd’hui plus possible de pratiquer la physique mathématique sans s’y référer.

Elle a accumulé un palmarès impressionnant d’expériences confortant ses prédictions : l’avance du périhélie de Vénus, la déflection des rayons de la lumière par les fortes concentrations de masse, l’effet Lense-Thirring, les effets retards, les ondes gravitationnelles, etc...

La curiosité humaine ne semblant pas connaitre de limite, les observations astronomiques se poursuivent. Le rayonnement de fond du cosmos, les vitesses de rotation de certaines galaxies, la valeur de la constante de Hubble, mettent à nouveau la communauté scientifique face à des montagnes d’interrogations et fondent de multiples essais théoriques encore fort discutés.

Parmi eux, les quelques vingt-cinq pistes visant à réunir mécanique quantique et mécanique relativiste.

Pour l’heure, les avis se partagent très fortement. 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,

Tng50 protocluster z1 dm gasvel smTNG50 (Crédit : tngproject)

-            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 a contrario l’usage de la relativité générale qui, si elle n’est pas parfaite, s’accommode très bien de nombreuses péripéties.

Quelles expériences pouvons-nous envisager qui viennent à l’appui d’une théorie de la gravitation quantique? 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.

Des questions ouvertes

La géométrie de l’atome.

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 des manifestations concrètes 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. La démarche suivie par la théorie des produits tensoriels déformés soulève discrètement le voile dans son essai : « Champs électromagnétiques et gravitation ».

Le mystère de l’énergie sombre.

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 (Millenium, Bolchoï) 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 la page : « Ma vision du vide »). Ces régions sont donc le terrain idéal sur lequel nous nous attendons à pouvoir confronter harmonieusement la relativité générale et la mécanique 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 « Einstein-Heisenberg ».

- de poser les prémisses d’une théorie quantique de la gravitation. Ma proposition vise à construire les états quantiques fondamentaux de la théorie de la question (E) sur la base des ingrédients livrés par les décompositions des produits vectoriels déformés (Voir les pages consacrées aux « Méthodes de décomposition »).

Ce premier jet procède par étape, comme à mon accoutumée, et démarre la procédure en s’appuyant sur les noyaux des parties principales des décompositions des produits vectoriels déformés. Ils sont les observables pressenties pour cette théorie.

Il se trouve que, fort heureusement, les paires ([K], [K]t) permettent de définir des conditions s’apparentant à celles qui sont exigées pour la construction des états quantiques fondamentaux (théorie de Hartree-Fock). Elles permettent donc de dire quand ces paires-là sont équivalentes à des paires d’opérateurs (création, annihilation).

© Thierry PERIAT

Vers la page : « Applications physiques ».

event Date de dernière mise à jour : 02/10/2020

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