Faut-il (vraiment) unifier la Relativité générale et la Physique quantique ?

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Le 25 novembre 1915, Albert Einstein publie son célèbre article sur la Relativité générale, qui propose une explication révolutionnaire de la force de gravité. Einstein postule que les objets massifs déforment l’espace-temps et que les objets plus légers sont contraints de suivre cette courbe et sont donc, soit projetés sur l’objet massif, soit ils doivent décrire une courbe à sa périphérie, que nous appelons une orbite. Ce faisant, Einstein n’apporte pas uniquement la première explication scientifique de la chute des corps, il démontre pourquoi la Lune effectue des rotations autour de la Terre au lieu de s’écraser à sa surface : la Lune doit suivre la courbure de l’espace-temps créée par la Terre.

Cette théorie est remarquable par sa complétude, par le petit nombre de variables nécessaires et par son aspect opérationnel : elle a été utilisée tout au long du XXème siècle sans être jamais être mise en défaut.

Alors, pourquoi tant de chercheurs essaient-ils de trouver une autre explication, quand celle-ci fait remarquablement le job ? Connait-on dans l’univers des phénomènes physiques qui seraient provoqués par deux causes indépendantes et de nature totalement différente ?

Trois raisons sont avancées pour justifier cette démarche :

1- D’abord, la Relativité générale est une explication purement géométrique, qui génère une force « invisible », quasi-magique. Il n’y a rien entre l’objet massif et l’objet léger, aucune particule messagère (aucun boson de jauge, comme le photon dans la force électromagnétique). Si on comprend bien que la Lune décrit une orbite parce qu’elle doit suivre la courbure de l’espace-temps provoquée par la présence de la Terre, on comprend moins pourquoi un stylo tombe sur la table. Le stylo, à son échelle ridicule, doit-il lui aussi suivre la courbure de l’espace-temps ?

2- Ensuite, les lois de la gravité ressemblent étrangement à celles de l’électromagnétisme : la gravité n’est pas immédiate, elle se diffuse à la vitesse de la lumière et elle décroit de l’inverse du carré de la distance (1/R2), comme la force électromagnétique. Ce parallélisme invite à penser qu’il pourrait se trouver une particule, qui jouerait le même rôle que le photon, puisqu’elle obéit aux mêmes lois.

3- Enfin, la Relativité générale semble ne plus fonctionner dans quelques situations extrêmes : au tout début du big bang, lorsque la matière est concentrée sur un volume très réduit et dans les trous noirs, au niveau de la singularité (au centre de certains trous noirs). On appelle singularité ces lieux, ou ces moments, où la loi générale ne s’applique plus, alors on cherche une loi alternative.

Un tout dernier argument est lié au succès que va rencontrer la physique quantique durant tout le XXème siècle. La physique quantique est la physique des particules, elle régit notamment les trois interactions fondamentales (la gravité étant la quatrième) : 1- la force électromagnétique dont le messager est le photon, 2- la force nucléaire forte, due au gluon, qui maintient les quarks soudés entre eux, 3- la force nucléaire faible, qui explique la radioactivité Beta, et qui est de même nature que la force électromagnétique. Pour la force nucléaire faible, cependant, le lien n’est pas assuré par le photon mais par les bosons W+, W- et Z°.

Forts de ces découvertes, les physiciens ont pensé que la gravité devait elle aussi avoir une explication quantique, qui fonctionnerait à petite échelle (à l’échelle quantique) ou qui fonctionnerait de façon universelle.

Depuis les années 1920, les pistes envisagées pour identifier une théorie valable sont très nombreuses ; on peut en citer deux en particulier, qui ont mobilisé un grand nombre de théoriciens : la théorie des cordes et la gravité quantique à boucle.

Malheureusement, aucune de ses théories n’a abouti à des résultats satisfaisants et aucune n’a pu être confrontée à des preuves expérimentales, si bien qu’en ce début de XXIème siècle, certains physiciens, parmi les plus reconnus, se demandent si on ne doit pas se contenter de la Relativité générale.

Outre que la théorie d’Einstein n’a jamais été prise en défaut, elle répond à des problèmes fondamentaux spécifiques à la gravité qui, par ailleurs, fragiliseraient une explication quantique éventuelle. La gravité quantique suppose en effet l’identification d’une particule nouvelle, de type boson de jauge, qui jouerait le même rôle que le photon dans l’électromagnétisme. Si cette particule n’a jamais été détectée, elle a tout de même un nom : le graviton. Or, si le graviton existe, il devrait passer un certain nombre d’obstacles, qui semblent difficilement surmontables :

1- La gravité n’est pas écrantable. Si on place une épaisseur de matière (eg une plaque de plomb) entre l’objet massif et l’objet léger, la force ne faiblit pas. Ce qui signifie qu’aucun graviton ne serait absorbé par la matière intermédiaire alors que, dans le cadre de la force magnétique, des photons sont absorbés par l’écran, ce qui réduit la force sortante.

2- La gravité baisse avec la distance (de 1/R2), mais son effet se fait sentir de façon infinie, ce qui signifie que des gravitons continueraient leur parcours jusqu’à l’infini. Notons au passage, que la décroissance de la force ne se fait pas par absorption de gravitons puisqu’elle n’est pas écrantable, on ne peut donc pas expliquer cette décroissance (des gravitons se suicideraient-ils ?)

3- Si le graviton existe, il se déplacerait à la vitesse de la lumière. Les ondes gravitationnelles, qui se diffusent à la vitesse de la lumière, seraient ainsi constituées de gravitons, tout comme la lumière est constituée de photons. Or, la vitesse de la lumière est une constante et elle est la « signature » du photon. On a appelé les particules qui se déplacent à la vitesse de la lumière des luxons, mais le photon est le seul luxon connu (on a également mis le gluon dans cette catégorie parce qu’il a une masse nulle, mais le gluon ne se déplace pas, il est fixé sur les quarks). Si le graviton existait, il serait donc nécessairement un photon, or nous savons que le photon ne joue aucun rôle dans la gravité.

Un dernier argument, peu favorable au graviton, est lié à la nature même de la gravité : c’est une force, qui est très faible. Bien entendu, à l’échelle macro, elle joue un grand rôle puisque nous sentons notre poids, mais au niveau des particules élémentaires, elle est souvent jugée comme négligeable dans les expériences, à tel point que personne n’a pu mesurer l’effet de la gravité à l’échelle moléculaire. Le graviton serait donc la seule particule, qui provoquerait une interaction extrêmement faible à l’échelle quantique, ce qui est en contradiction avec la notion même de boson messager. Certes en théorie rien n’est impossible, mais le gluon, qui est l’agent de l’interaction nucléaire forte, exerce une force quasi infinie, plus on essaie d’éloigner les quarks, plus la force exercée par le gluon est intense.

Enfin, les théories spéculatives imaginées pour expliquer une nature quantique de la gravité supposent une rupture du principe d’équivalence au-delà d’une certaine décimale. Le principe d’équivalence proposé par Einstein peut s’exprimer de deux façons : 1- l’accélération et la gravité sont équivalente (dans un ascenseur en descente et en accélération, on ne sent plus le poids de son corps). 2- Les objets tombent à la même vitesse quelle que soit la matière qui les compose. A ce jour, personne n’a été capable de démontrer une rupture de ce principe, la dernière expérience en date (le satellite Microscope) a échoué à 2X10-14 (14 chiffres après la virgule).

La conclusion est que les physiciens, qui pensent que la Relativité générale est la seule cause de la gravité, sont progressivement plus nombreux (quoi que toujours très minoritaires). C’est notamment l’avis de Frank Wilczek (Nobel 2004) ou de Sheldon Glashow (Nobel 1979 pour l’explication de l’interaction électrofaible).

Ces physiciens considèrent que la seule raison valable pour identifier une explication quantique de la gravité est les premiers moments du big bang et la singularité au centre des trous noirs. Mais cela ne les effraie pas, d’abord on n’est surs que de très peu de choses sur ces deux singularités et puis, si la Relativité générale ne fonctionne plus, c’est peut-être qu’il n’y a pas de gravité. Plutôt que de chercher une explication concurrente à celle d’Einstein, ils proposent de mieux comprendre ces deux singularités, et d’accepter que l’interaction gravitationnelle n’a qu’une seule cause : la courbure de l’espace-temps.

Cette recherche désespérée d’une explication quantique de la gravité, qui dure depuis près d’un siècle, montre que certains phénomènes de la physique sont parfois difficiles à accepter. On peut dresser un parallèle avec une autre réalité physique qui, elle aussi, se heurte à des problèmes d’interprétation : l’intrication quantique. Lorsque deux particules sont intriquées (par exemple, lorsqu’on provoque une collision entre elles), elles ne forment plus qu’un même système quantique et restent cohérentes, quelle que soit la distance qui puisse les séparer. Cette cohésion s’exprime de la façon suivante : si on provoque un changement d’état sur une des deux particules, l’autre particule se retrouvera automatiquement et simultanément dans un état symétrique. Si on change, par exemple, le spin (la rotation de la particule) en -1/2, l’autre particule prendra un spin de +1/2, et ce changement se produit à une vitesse supérieure à la distance que la lumière pourrait parcourir si elle devait être le vecteur informationnel de ce changement. On ne comprend donc pas comment les particules “communiquent” entre elles et, parmi les conclusions possibles, on évoque le concept de “non-localité”. Puisque les particules se coordonnent plus vite que la lumière, elles abolissent, à leur échelle, la localité (ie la distance). Pourquoi une telle conclusion ? Parce que l’intuition veut qu’il y ait un boson vecteur (un peu comme pour la gravité), qui permette aux particules et savoir que l’autre est passée en spin -1/2. Nous avons des difficultés à accepter que ces deux particules ne forment plus qu’un tout cohérent, et que cette notion, qui n’a pas de rapport avec la distance, devrait suffire à expliquer l’intrication. Les particules ne “communiquent” pas, elle ne forment plus qu’un unique système pour ce qui concerne leurs états quantiques, cela en dépit de la distance qui les sépare. 

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