Gravité quantique

La gravité quantique est la branche de la physique théorique tentant d'unifier la mécanique quantique et la relativité générale.

Problématique

La plupart des difficultés rencontrées lors de cette unification proviennent des suppositions radicalement différentes de ces théories sur le fonctionnement de l'univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.).

Une autre difficulté vient du succès de la mécanique quantique et de la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur...) de la relativité générale. Toutes deux sont couronnées de succès et aucun phénomène ne contredit les deux. Les énergies et conditions auxquelles la gravité quantique pourrait être vérifiée sont inaccessibles à notre technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :). Aussi aucune observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique...) expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes dominants tant sur le plan formel, esthétique, que sur le plan culturel et...) n'est disponible pour donner des indices sur comment les combiner.

La mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...),...) quantique est basée sur les particules de médiation (Depuis l'essor de la médiation dans les années 1980, il existe plusieurs conceptions et applications de cette pratique dont l'objet est la résolution des différends en...) des différentes forces utilisé dans l'espace-temps (La notion d'espace-temps a été introduite au début des années 1900 et reprise notamment par Minkowski en 1908 dans un exposé mathématique sur la géométrie de...) plat de la mécanique newtonienne (La mécanique newtonienne est une branche de la physique. Depuis les travaux d'Albert Einstein, elle est souvent qualifiée de mécanique classique.) ou de la relativité restreinte (On nomme relativité restreinte une première version de la théorie de la relativité, émise en 1905 par Albert Einstein, qui ne considérait pas la question des accélérations d'un référentiel, ni...) tandis que la théorie de la relativité générale modélise la gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) comme une courbure (Intuitivement, courbe s'oppose à droit : la courbure d'un objet géométrique est une mesure quantitative du caractère « plus ou moins courbé » de cet objet. Par exemple :) de l'espace-temps dont le rayon se modifie lorsque la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide,...) se déplace. Les voies les plus triviales pour combiner ces deux théories (tel que traiter la gravité comme un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) possédant une particule de médiation : le graviton) se heurte au problème de renormalisation. En effet la gravité est sensible à la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de gravitation (la masse...) donc d'après le principe d'équivalence de la masse et de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) en relativité restreinte elle est aussi sensible a l'énergie. Un graviton (Le graviton est une particule élémentaire hypothétique qui transmettrait la gravité dans la plupart des systèmes de gravité quantique. Il serait donc le quantum de...) doit donc interagir avec lui-même ce qui crée de nouveaux gravitons qui a leur tour interagissent a nouveau... Il apparaît donc des valeurs d'énergie infinies qui ne peuvent être éliminées.

L'approche générale utilisée pour dériver une théorie de la gravité quantique est de présumer que la théorie sous-jacente est simple et élégante puis d'examiner les symétries et indices pour les combiner en une théorie globale. Un problème avec cette approche est que l'on ne sait pas si la gravité quantique est une théorie simple et élégante.

Une telle théorie est nécessaire pour comprendre les problèmes invoquant de larges masses de matière ou d'énergie et de très petites dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son...) d'espace telles que les trous noirs ou l'origine de l'univers.

Approches candidates

Un certain nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de propositions ont été avancées pour aborder le problème :

  • La première tentative de guérir la non-renormalisabilité de la gravitation (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) a été de rajouter l'ingrédient de la supersymétrie (Note : Pour profiter au mieux de cet article, le lecteur devrait avoir de bonnes notions sur le spin, la physique des particules et la symétrie en physique.) afin de relier le comportement du graviton à celui des autres particules de spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au même titre...) plus petit et adoucir ainsi les divergences de la théorie. Le résultat porte le nom de théorie de supergravité. Malheureusement, malgré un comportement en effet meilleur les divergences restent et ces théories ne sont donc pas bien définies quantiquement.
  • La théorie des cordes (La théorie des cordes est l'une des voies envisagées pour régler une des questions majeures de la physique théorique : fournir une description de la gravité...) ou bien, plus précisément dans sa version supersymétrique, la théorie des supercordes (La théorie des supercordes est une tentative d'expliquer toutes les particules et forces fondamentales de la nature, en les modélisant comme les vibrations de minuscules cordes supersymétriques. Elle est considérée comme...) est une tentative non seulement de description quantique de la gravité mais également des autres interactions fondamentales présentes dans le modèle standard de la physique des particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants élémentaires de la matière et les rayonnements, ainsi que leurs interactions. On l'appelle aussi physique des hautes énergies car de nombreuses...). Les différents modèles de la théorie des cordes sont parfaitement définis d'un point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) quantique et de façon remarquable admettent les théories de supergravité comme théories effectives à basse énergie. En ce sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive allant du ralentissement du...) les théories de cordes fournissent une description microscopique, on parle aussi de complétion ultraviolette, aux théories de supergravité. C'est la branche de ce domaine la plus active par le nombre des chercheurs et des publications. Une partie des chercheurs travaillant sur la gravitation quantique à boucles critiquent néanmoins la théorie des cordes dont la place qui lui est accordée est selon eux hégémonique et empêche le développement normal de théories alternatives (Alternatives (titre original : Destiny Three Times) est un roman de Fritz Leiber publié en 1945.) en l'absence de confirmations expérimentales.
  • La gravitation quantique à boucles introduite par Lee Smolin et Carlo Rovelli sur la base du formalisme d'Ashtekar s'attache à présenter une formulation (La formulation est une activité industrielle consistant à fabriquer des produits homogènes, stables et possédant des propriétés spécifiques, en mélangeant différentes matières premières (on...) quantique de la gravité explicitement indépendante d'une éventuelle métrique de fond (contrairement à la description actuelle de la théorie des cordes même si elle inclut également la symétrie de reparamétrisation comme sous ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut...) de ses symétries) ce qui est un effort naturel conforme à l'esprit de la relativité générale. Contrairement à la théorie des cordes, la gravitation quantique à boucle (La gravitation quantique à boucles est une tentative de créer une théorie de la gravitation quantique, et donc d'unifier la théorie de la relativité générale d'Einstein et les concepts de la...) ne se donne pas comme but de décrire également les autres interactions fondamentales. Elle ne se veut donc pas une théorie du tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.). La viabilité de ce projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une grande...) est contestée par une partie de la communauté des chercheurs en théorie des cordes (voir Lubos Motl à ce sujet).
  • Alain Connes (Alain Connes est un mathématicien français, né le 1er avril 1947 à Draguignan (Var).) a récemment proposé l'utilisation de sa géométrie non commutative (La géométrie non commutative, développée par Alain Connes, est un type de géométrie algébrique distincte de la géométrie algébrique telle qu'on l'entend habituellement (celle...) pour reconstruire le modèle standard par réduction dimensionnelle de la relativité générale sur une variété non-commutative dans l'esprit de la théorie de Kaluza-Klein cherchant à reproduire l'électromagnétisme (L'électromagnétisme est une branche de la physique qui fournit un cadre très général d'étude des phénomènes électriques et magnétiques dans leur synthèse du champ électromagnétique : le champ électromagnétique est produit par...) par réduction dimensionnelle de la relativité générale sur un cercle (Un cercle est une courbe plane fermée constituée des points situés à égale distance d'un point nommé centre. La valeur de cette distance est appelée rayon...). Cependant son analyse se base sur une description classique du modèle standard et la quantification de son modèle n'est pas encore développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de courbure. On peut aussi la décrire comme l'enveloppe de la famille des droites normales à la courbe.): ce n'est donc pas encore à proprement parler une description quantique de la gravité.
  • La théorie des twisteurs de Roger Penrose introduite dans les années 70 a introduit un nouveau formalisme permettant l'étude des solutions des équations de la relativité générale et à ce titre aurait pu offrir un meilleur point de départ pour la quantification de celle-ci. Mais les efforts dans ce sens n'ont pas abouti et le projet de quantification par cette voie a été abandonné aujourd'hui. Par contre le formalisme de twisteur reste utile dans le cadre de la relativité et a même retrouvé un regain d'intérêt récemment dans le cadre de l'étude de la théorie de Yang-Mills via la théorie des cordes (travaux de Witten sur ce dernier point).

Théoriciens de la gravité quantique

  • Abhay Ashtekar
  • John Baez
  • Julian Barbour
  • Martin Bojowald
  • Louis Crane
  • Rodolfo Gambini
  • Brian Greene
  • Peter Higgs
  • Christopher Isham
  • Ted Jacobson
  • Michio Kaku
  • Renate Loll
  • Fotini Markopoulou-Kalamara
  • Roger Penrose
  • Jorge Pullin
  • Carlo Rovelli
  • Lee Smolin
  • Andrew Strominger
  • Thomas Thiemann
  • Edward Witten (Edward Witten (né en 1951) est un physicien mathématique américain, professeur Charles Simonyi de physiques mathématiques à l'Institute for Advanced Study de Princeton, dans le New Jersey.)
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