Gravité quantique - Définition et Explications

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,...) 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...) expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes...) 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...) quantique est basée sur les particules de médiation (Depuis l'essor de la médiation dans les années 1980, il existe plusieurs conceptions et...) des différentes forces utilisé dans l'espace-temps (La notion d'espace-temps a été introduite au début des années 1900 et reprise...) plat de la mécanique newtonienne (La mécanique newtonienne est une branche de la physique. Depuis les travaux d'Albert Einstein,...) ou de la relativité restreinte (La relativité restreinte est la théorie formelle élaborée par Albert Einstein...) 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...) 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...) 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 théorie quantique des champs (ou QFT), en mécanique statistique des champs, dans la...). En effet la gravité est sensible à la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) 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...) en relativité restreinte elle est aussi sensible a l'énergie. Un graviton (Le graviton est une particule élémentaire hypothétique qui transmettrait la...) 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...) 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...) de propositions ont été avancées pour aborder le problème :

  • La première tentative de guérir la non-renormalisabilité de la gravitation (La gravitation est le phénomène d'interaction physique qui cause l'attraction...) 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...) afin de relier le comportement du graviton à celui des autres particules de spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque...) 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...) 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...) 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...). 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...) 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...) 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 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...) 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...) 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...) 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...). La viabilité de ce projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a...) 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...) 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...) par réduction dimensionnelle de la relativité générale sur un cercle (Un cercle est une courbe plane fermée constituée des points situés à égale...). 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...): 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...)
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