mardi , 26 septembre 2017

La théorie des cordes rencontre la gravitation quantique à boucles pour former une "théorie du Tout"

2 des principaux candidats semblaient incompatibles pour une théorie du Tout. Mais il semble que la théorie des cordes et la gravitation quantique à boucles soient les 2 faces d’une même pièce.


La théorie des cordes rencontre la gravitation quantique à boucles pour former une "théorie du Tout"
L‘article original en anglais a été publié sur Quanta Magazine.

Cela fait 80 ans que les physiciens ont réalisé que la mécanique quantique et la gravitation ne font pas bon ménage et on n’a pas encore réconcilié ces 2 théories fondamentales. Ces dernières décennies, les chercheurs ont simplifié le problème en 2 programmes avec la théorie des cordes d’un côté et la gravitation quantique à boucles de l’autre côté. Les partisans de chaque théorie respective se battent depuis des années, car ils estiment que les 2 théories sont incompatibles. Mais désormais, certains scientifiques estiment qu’il faut une fusion entre la théorie des cordes et la gravitation quantique à boucles pour aller de l’avant.

La théorie des cordes simplifiée au maximum

Parmi les tentatives pour unifier la théorie quantique et la gravité, la théorie des cordes est l’une des plus populaires. Son postulat est simple. Chaque chose est composée de petites cordelettes. Les cordelettes peuvent être fermées dans une boucle ou avoir une extrémité libre. Elles peuvent vibrer, s’étirer, s’unir ou se séparer. Et ce sont ces différentes propriétés des cordes qui expliquent tous les phénomènes que nous observons allant de la matière jusqu’à l’espace-temps.

La gravitation quantique à boucles

En revanche, la gravitation quantique à boucles est moins concernée par la matière de l’espace-temps et elle se concentre sur les propriétés quantiques de l’espace-temps. Dans la gravitation quantique à boucles (LQG pour l’anglais et GQB pour le français), l’espace-temps est un réseau. La structure homogène de la gravitation d’Einstein est remplacée par des nœuds et des liens qui possèdent des propriétés quantiques. Dans cette théorie, on voit l’espace-temps comme des morceaux. Et la gravitation quantique à boucles se concentre sur l’étude de ces morceaux.

Pendant longtemps, on pensait que cette approche était incompatible avec la théorie des cordes. Les différences conceptuelles sont évidentes et profondes. En premier lieu, la gravitation quantique à boucles étudie des morceaux de l’espace-temps tandis que la théorie des cordes étudie le comportement des objets dans l’espace-temps. Il y a des problèmes techniques qui séparent les 2 champs. (Des physiciens ont tenté de discuter sur la pertinence scientifique de la théorie des cordes avec la LQG). La théorie des cordes nécessite que l’espace-temps possède 10 dimensions. La gravitation quantique à boucles ne fonctionne pas sur des dimensions supérieures. La théorie des cordes implique l’existence de la supersymétrie. La supersymétrie stipule que des particules connues possèdent des partenaires qu’on n’a pas encore découverts. La gravitation quantique à boucles ne possède pas de supersymétrie.

Ces différences ont créé des camps bien retranchés chez les physiciens au fil du temps. Les conférences sont devenues distinctes selon Jorge Pullin, de l’université de Louisiane et co-auteur d’un livre sur la gravitation quantique à boucles. Les bouclés vont dans des conférences bouclées et les cordiciens vont dans des conférences cordiciennes. Ils ne vont même plus à une conférence de physiques et il est malheureux que les choses aient évolué de cette manière.

Mais un certain nombre de facteurs poussent les 2 camps à se rejoindre. De nouvelles découvertes théoriques proposent des similarités entre la gravitation quantique à boucles et la théorie des cordes. Une nouvelle génération de théoriciens cordiciens a commencé à utiliser des méthodes et des outils, en dehors de leur théorie, pour créer une Théorie du Tout. Mais le paradoxe impitoyable des trous noirs et la perte de l’information ont incité les physiciens à devenir plus humbles.

De plus, en l’absence de preuves expérimentales sur la théorie des cordes ou la gravitation quantique à boucles, les preuves mathématiques suggèrent que ces 2 théories sont les 2 faces d’une même pièce. Et on pourrait ainsi aller vers une Théorie du Tout. La fusion de la théorie des cordes et de la gravitation quantique à boucles en ferait une théorie vraiment fondamentale sur l’explication de chaque chose. (Lire notre article sur notre limite de la compréhension de la science et le besoin d’une nouvelle théorie)

Un lien inattendu

Un effort pour résoudre les problèmes internes de la gravitation quantique à boucles a mené vers un premier lien surprenant vers la théorie des cordes. Les physiciens, qui l’étudient, ignorent comment avoir une vue d’ensemble de leur réseau de morceaux de l’espace-temps pour une description large de cet espace afin de correspondre avec la gravitation d’Einstein, notre meilleure théorie de la gravitation à l’heure actuelle. De plus, la gravitation quantique à boucles ne résout pas les cas spéciaux où la gravité est négligeable. C’est un malaise qui met du plomb pour considérer un espace-temps composé de morceaux. Dans la théorie de la relativité restreinte d’Einstein, un objet semblera se contracter en fonction de la vitesse de déplacement d’un observateur relatif par rapport à cet objet. Cette contradiction affecte aussi la taille des morceaux de l’espace-temps qui sont donc perçus différemment par des observateurs à différentes vitesses. Cette incohérence pose des problèmes avec le principe fondamental de la théorie d’Einstein. Que les lois de la physique doivent être les mêmes indépendamment de la vitesse de l’observateur.

C’est difficile d’introduire des structures discrètes sans se heurter aux difficultés de la relativité restreinte selon Pullin. Dans un petit papier qu’il a écrit en 2014 avec Rodolfo Gambini, un physicien de l’université de Montevideo en Uruguay, Pullin argue que si on veut que la gravitation quantique à boucles soit pertinente avec la relativité restreinte, alors on doit utiliser des interactions qu’on trouve dans la théorie des cordes.

L’espace Anti-de Sitter

Ces 2 approches ont quelque chose en commun depuis une découverte séminale à la fin des années 1990 par Juan Maldacena, un physicien de l’Institute for Advanced Study à Princeton (Lire notre article qui décrit la source quantique de l’espace-temps). Maldacena a créé une correspondance dans la théorie de la gravitation dans un prétendu espace-temps appelé anti-de Sitter (AdS) avec une théorie du champ (appelé CFT pour Conformal Field Theory) sur la frontière de l’espace-temps. En utilisant ce AdS/CFT, on peut mieux décrire la théorie de la gravitation par une meilleure théorie du champ.

Cette dualité est une conjecture, mais elle a une limite dans laquelle la théorie des cordes ne joue aucun rôle. Étant donné que les cordes importent peu dans la limite, alors on peut l’utiliser par n’importe quelle théorie quantique de la gravitation. Pullin le voit comme un point de contact. Herman Verlinde, une physicien théoricien de l’université de Princeton, qui travaille fréquemment avec la théorie des cordes, estime qu’il est plausible que les méthodes de la gravitation quantique à boucles illuminent le côté gravitationnel de la dualité. Dans un papier récent, Verlinde a regardé l’AdS/CFT dans un modèle simplifié composé seulement de 2 dimensions de l’espace et 1 du temps ou 2+1 selon les termes des physiciens. Il a trouvé que l’espace AdS peut être décrit comme un réseau comme celui qu’on utilise dans la gravitation quantique à boucles. Verlinde espère généraliser le modèle pour inclure plus de dimensions. On regarde la gravitation quantique à boucles d’un point de vue trop étroit. Mon approche est d’être inclusif. Et cela permet d’aller de l’avant d’un point de vue intellectuel. Mais même si on combine la théorie des cordes et la gravitation quantique à boucles dans l’espace Anti-de Sitter, une question persiste : Quel est le niveau d’utilité de cette combinaison ? Les espaces-temps Anti-de Sitter ont une constante cosmologique négative (un nombre qui décrit la géométrie à large échelle de l’univers). Notre univers possède une constance cosmologique positive. On n’est pas capable d’imaginer la construction mathématique de l’espace AdS.

Verlinde est pragmatique. Notre idée, pour une constante cosmologique positive, est qu’on a besoin d’une toute nouvelle théorie. Et ensuite, on verra que la question sera différente selon la théorie. Pour le moment, l’AdS est le meilleur indice sur la structure que nous cherchons et nous devons le modifier pour avoir une constante cosmologique positive. L’AdS ne décrit pas notre univers, mais il nous apprend des leçons sur les chemins qu’on doit emprunter.

Allons ensemble dans un trou noir

Verline et Pullin pointent sur une autre chance pour que la théorie des cordes et la gravitation quantique à boucles puissent se rencontrer : Le mystérieux destin de l’information qui tombe dans un trou noir. En 2012, 4 chercheurs de l’université de Californie ont souligné une contradiction interne avec la théorie prévalente. Ils arguent que si le trou noir permettait l’évasion de l’information, alors cela détruirait la structure délicate de l’espace vide autour de l’horizon du trou noir. Et cela créera une forte barrière énergétique qu’on connait comme le mur de feu du trou noir. Cependant, ce mur de feu est incompatible avec le principe d’équivalence de la théorie de la relativité générale. Le principe d’équivalence postule que les observateurs ne peuvent pas dire s’ils ont traversé l’horizon. Cette incompatibilité a provoqué des migraines chez les cordiciens, qui pensaient comprendre le paradoxe de l’information du trou noir et qui doivent revoir leurs notes.

Mais ce n’est pas une énigme qui concerne seulement les cordiciens. Cette discussion, concernant le mur de feu du trou noir, a fait rage dans la communauté de la théorie des cordes selon Verlinde. Ces questions concernant l’information quantique, l’intrication et la construction d’un espace mathématique Hilbert sont précisément les problèmes qui sont traités par la gravitation quantique depuis très longtemps. Dans le même temps, dans un développement passé inaperçu par les cordiciens, la barrière de la supersymétrie et des dimensions supplémentaires se sont également écroulées. Un groupe autour de Thomas Thiemann de la Friedrich-Alexander University en Allemagne a étendu la gravitation quantique à boucles pour inclure plus de dimensions et il a aussi inclus la supersymétrie. 2 choses qui appartenaient exclusivement à la théorie des cordes.

La gravitation quantique à boucles prend une légère avance

Plus récemment, Norbert Bodendorfer de l’université de Warsaw, a appliqué les méthodes du LQG à l’espace Anti-de Sitter. Il estime que la gravitation quantique à boucles est utile dans les situations où les cordiciens ne savent pas comment effectuer les calculs gravitationnels. Bodendorfer sent que le gouffre entre la théorie des cordes et la gravitation quantique à boucles se réduit à toute vitesse. Dans certaines occasions, j’avais l’impression que les théoriciens des cordes ne voulaient pas entendre parler de la gravitation quantique à boucles. Mais les jeunes chercheurs cordiciens sont plus ouverts d’esprit.

La plus grande différence est la manière de définir nos questions selon Verlinde. Et malheureusement, C’est plus sociologique que scientifique. Ces 2 approches ne sont pas en conflit. J’ai toujours considéré la théorie des cordes et la gravitation quantique à boucles comme des parties de la même description. La LQG est une méthode et non une théorie. C’est une méthode de penser la mécanique et la géométrie quantique. C’est une méthode que les cordiciens utilisent. Et ces choses ne sont pas incompatibles.

Mais certains ne sont pas convaincus. Moshe Rozali, un théoricien des cordes de l’université de British Columbia reste sceptique sur la gravitation quantique à boucles. La raison pour laquelle je ne travaille pas avec la LQG est son problème avec la relativité restreinte. Si votre approche ne respecte pas les symétries dans la relativité restreinte, alors vous avez besoin d’un miracle pour que cela se produise dans les étapes intermédiaires. Mais Rozali pense que certains outils mathématiques de la gravitation quantique à boucles peuvent être pratiques. Je ne pense pas que la théorie des cordes et la gravitation quantique à boucles puissent se rencontrer. Mais ce sont les méthodes qui sont les plus importantes et elles sont suffisamment similaires dans les 2 théories.

Même du côté de la gravitation quantique à boucles, on pense qu’une réunification sera difficile. Carlo Rovelli de l’université de Marseille et père fondateur de la gravitation quantique à boucles estime que sa théorie prend de l’ascendant. La planète des cordes est moins arrogante qu’il y a 10 ans, spécialement après la grosse déception des particules sypersymétriques (PDF). Il est possible que les 2 théories soient des parties d’une solution commune, mais je ne pense pas que cela arrivera. La théorie des cordes a échoué ce qu’elle promettait dans les années 1980. C’est une de ces idées élégantes, mais l’univers n’est pas de cette nature et on le voit souvent dans l’histoire de la science. Je ne comprends vraiment pas comment des gens peuvent encore avoir de l’espoir dans la théorie des cordes. Pour Pullin, la gravitation quantique à boucles ne doit pas crier encore victoire en disant qu’on a la théorie du Tout. Je pense que les 2 théories sont foncièrement incomplètes et ces disputes sont inutiles.

 

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A propos de Jacqueline Charpentier

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Ayant fait une formation en chimie, il est normal que je me sois retrouvée dans une entreprise d'emballage. Désormais, je publie sur des médias, des blogs et des magazines pour vulgariser l'actualité scientifique et celle de la santé.

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