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Gravity's Engines

Phi, a voyage from the brain to the soul

A propos du livre Mindful Universe

La médecine personnalisée

1er Octobre 2002
Notes par Jean-Paul Baquiast et Christophe Jacquemin

Three Roads to Quantum Gravity

Couverture de  "Three Roads To Quantum Gravity", par Lee Smolin Lee Smolin

Basic Books
2001


Lee SmolinOn se demandera en quoi les travaux d'un physicien théorique pratiquement inconnu du grand public en France peuvent intéresser une revue comme la nôtre, et qui plus est mériter que nous suggérerions (comme nous le faisons en notre for intérieur) de comparer ce scientifique aux plus grands de la science occidentale, Newton, Darwin, Einstein ou Bohr ?

Qu'est-ce qui donne sa portée universelle à une œuvre scientifique ? D'abord évidemment l'étendue des connaissances, l'imagination créatrice, la capacité à dépasser sinon refuser les paradigmes dominants sans lesquelles les recherches demeurent de simples bricolages de laboratoire. C'est ensuite la capacité à faire la liaison entre la science, la philosophie et plus généralement la politique, de façon à ouvrir l'imagination des hommes de son temps, en suscitant notamment chez les chercheurs plus jeunes de nouvelles vocations permettant d'amplifier la portée de l'œuvre initiale, d'en faire une véritable nouvelle façon de voir le monde et le transformer. Pour cela, il faut se donner le mal d'écrire, et d'écrire comme l'a fait Smolin, en 3 ou 4 années, sans cesser ses recherches, deux volumes de plus de 300 pages dépourvus de toute formule mathématique.

C'est enfin l'humanité, si on peut employer à bon escient ce mot à tout faire : savoir se considérer soi-même comme un homme fragile ne tirant sa force que des relations de coopération avec les autres, acceptant de mettre et faire mettre ses idées en doute - mais ayant néanmoins face à toutes les censeurs de la liberté intellectuelle la volonté de mettre la science fondamentale telle qu'elle est conçue en Occident au-dessus de toutes les formes d'idéologies et de croyances dont des tyrannies intégristes veulent se servir pour nous empêcher de penser comme on estime de son devoir et dans ses moyens de le faire.

Les lecteurs nous diront : soit, mais en quoi Lee Smolin, ce "young guy with those crazy ideas?", ce "jeune homme avec des idées si bizarres, mais peut-être pas fausses dont parlait le grand physicien Murray Gell-Mann, mérite-t-il un tel panégyrique. Ses deux livres, que nul à ce jour n'a jugé bon de traduire en français - ce qui est soit dit en passant quelque chose comme un crime contre l'esprit, vu du point de vue de nos concitoyens - traitent en effet de sujets aussi incertains scientifiquement qu'ésotériques, le premier en présentant une théorie cosmique de l'évolution et le second en faisant le point sur l'état (à l'époque où il fut écrit, c'est-à-dire avant 2001) des travaux sur la gravitation quantique. Il n'est pas cependant besoin d'être un physicien et un cosmologiste averti pour voir que ces livres abordent les deux sujets clefs de ce que sera probablement, non seulement la physique mais la science fondamentale des prochaines décennies : peut-on considérer l'univers entier comme un système et en ce cas, à quelles lois obéirait-il et, plus précisément, peut-on pour le décrire réconcilier ces deux grandes avancées de la science du 20e siècle, aujourd'hui encore peu compatibles entre elles, la relativité de Einstein et la mécanique quantique de Bohr, Heisenberg et Schrödinger.

Soit, direz-vous, mais nous ne sommes pas les lecteurs d'une revue de physique fondamentale. En quoi ces questions peuvent-elles intéresser la vie artificielle et la robotique, la biologie et la génétique, bref les sciences dont vous prétendez faire l'objet principal de vos activités éditoriales ? Evidemment, plutôt qu'argumenter, je vous dirai de lire Smolin. La réponse vous sautera aux yeux, car son grand mérite précisément est de savoir donner à ses hypothèses les aperçus interdisciplinaires qui les rendront, pensons-nous, si fécondes pour l'avenir. En attendant, par ce trop court article, je vais cependant tenter de signaler les retombées possibles de ces recherches, dans les domaines qui sont préférentiellement les nôtres, mais aussi dans les domaines de la philosophie et de la politique contemporaine. Mais je n'ai ce faisant qu'une ambition, c'est vous convaincre de lire à votre tour ce " young guy ".

Ceci dit, que l'on se rassure. Les futures avancées de la théorie des cordes ou de l'hypothétique Théorie M qui devrait la prolonger, ne reposent pas sur les seules épaules de Lee Smolin. La physique fondamentale théorique et sa soeur, la physique fondamentale expérimentale, attirent aujourd'hui un grand nombre de chercheurs. Les crédits, sans être suffisants, sont plus abondants que dans d'autres disciplines, à la mesure il est vrai du coût des grands instruments. Si Lee Smolin apparaîtra sans doute comme un Darwin du début du 21e siècle, il partagera certainement cette renommée avec de nombreux autres, dont d'éminents scientifiques européens. Mais Lee Smolin, à notre avis, détient pour le moment le mérite de penser plus large et plus loin que ses collègues. En tous cas, il nous invite à le faire pour notre compte.

Nous devons nous-mêmes ici un grand merci à Jean-Claude Heudin, qui ne nous avait pas attendu pour s'inspirer des idées de Lee Smolin, et qui nous a indiqué, lors de l'entretien que nous avons eu récemment, toutes les conséquences fructueuses qu'il en avait tirées.

Lee Smolin est actuellement chercheur au Perimeter Institute for Theoretical Physics et professeur de physique à Waterloo University, Canada.

Pour en savoir plus
Lee Smolin a fait l'objet d'une écoute attentive de la part de la Fondation Edge. Voir notamment http://www.edge.org/3rd_culture/smolin/smolin_p1.html et http://www.edge.org/3rd_culture/bios/smolin.html

Nous présentons ici le plus récent des deux livres de Lee Smolin, Three Roads to Quantum Gravity. C'est ce dernier qui est le moins contestable, en ce sens qu'il ne formule pas comme son aîné des hypothèses sur l'univers qui sont loin d'être admises par la communauté scientifique. De plus, les travaux sur la gravitation quantique prennent actuellement une grande importance et une grande actualité. Les choses y changent très vite. D'où l'intérêt de nous en informer sans attendre - ce qui ne retire rien, comme on le verra à leur grand intérêt.

Le livre, nous l'avons indiqué, propose une synthèse (rédigée avant 2001, mais sans doute encore valable dans ses grandes lignes bien que les choses évoluent vite en ce domaine) des travaux relatifs à la gravitation quantique (GQ). On sait qu'il s'agit là de rechercher une théorie de l'Univers qui unisse les deux fondements de la physique moderne, la relativité générale (RG) d'Einstein concernant les phénomènes à grande échelle, planètes, systèmes solaires, galaxies, et la mécanique quantique (MQ), qui étudie le domaine du très petit, à l'échelle nanométrique et en dessous : molécules, atomes, particules élémentaires. On a pu parler de rechercher une Théorie de Tout. Mais il s'agit que d'une image. En réalité, il faut faire avancer en les fusionnant RG et MQ qui, parties de bases différentes, sont incompatibles et surtout, ne peuvent expliquer en l'état de nombreux phénomènes découverts récemment avec les progrès de l'instrumentation, tant au plan macroscopique que subatomique. On reste là cependant au niveau fondamental et on ne prétend pas expliquer tous les phénomènes et tous les processus nés de l'émergence de la complexité.

L'inconvénient, si l'on peut dire, de ces recherches est qu'elles sont encore, selon leurs auteurs eux-mêmes, purement théoriques. Elles travaillent à de telles échelles d'espace, de temps ou d'énergie qu'on ne dispose pas des appareils permettant de les tester. Les chercheurs attendent cependant beaucoup du futur grand accélérateur du CERN. Tout laisse à penser que, dans moins de dix ans, si on est optimiste, la vision du monde dont disposera la science occidentale sera radicalement changée et infiniment plus riche en applications pratiques.

Le livre de Lee Smolin a pour objet de faire comprendre tout cela. Il s'agit d'un ouvrage, si on en croit les remerciements de l'auteur, qui a été largement critiqué et complété par les collègues de celui-ci, mais cela ne retire rien à ses mérites. La rédaction est très claire et lisible, même pour quelqu'un lisant mal l'anglais. Lee Smolin n'hésite pas par ailleurs à raconter sa propre aventure de chercheur, avec ses allers-retours, ses incertitudes, parfois ses erreurs. Il en profite d'ailleurs pour montrer que ses prédécesseurs, tel Einstein, dont il a étudié les travaux préparatoires, ont suivi les mêmes itinéraires hésitants avant d'être figés par la renommés dans des statures grandioses. Au plan de la probité scientifique, l'auteur est exemplaire, en distinguant chaque fois que nécessaire ses propres hypothèses de celles de ses collègues. Il souligne par ailleurs, comme nous venons de le dire, que le domaine traité n'a pas encore pu faire l'objet de preuves expérimentales.

Le Prologue rappelle au lecteur que la question posée dans le livre est une des plus ancienne et des moins bien résolue qui soit : qu'est ce que le temps et l'espace ? L'humanité a toujours situé ses perceptions et activités immédiates dans le temps et l'espace, mais en concevant ceux-ci, y compris dans la physique Newtonienne, d'une façon conforme à ses croyances religieuses. RG d'abord, MQ ensuite ont radicalement changé cela, en imposant des représentations contre-intuitives, comme on dit, du temps et de l'espace. Mais elles se sont révélées ce faisant incomplètes et limitées. Plus grave, on ne peut les rapprocher. Leur principale différence tient au statut de l'observateur. Dans la RG, l'observateur est, comme dans la physique newtonienne, extérieur au monde qu'il observe. Il n'influe pas sur lui. On sait que ce n'est pas le cas dans la MQ. Par contre la MQ ne remet pas en cause la conception newtonienne du temps et de l'espace, contrairement à la RG. Il faudra trouver une nouvelle théorie qui fasse la synthèse des deux. Ce sera la GQ ou théorie quantique de la gravitation, qui unifiera la théorie quantique, s'intéressant aux forces et aux particules élémentaires avec la théorie de la gravitation, force jusqu'ici restée en dehors, car s'exerçant dans un autre domaine, comme l'a montré Einstein, celui du temps et de l'espace cosmiques.

Le titre du livre se justifie parce que, selon Lee Smolin, trois routes sont actuellement suivies par les chercheurs pour aboutir à la GQ : la première développée à partir de la MQ qui donne naissance à la théorie des cordes (string theory), la seconde développée à partir de la RG qui donne la théorie de la gravité quantique en lacets (GQL) ou en boucles (loop quantum gravity). Bien que différentes, ces deux approches, selon l'auteur, devraient se compléter et se rejoindre. L'une et l'autre décrivent le temps et l'espace à l'échelle dite de Planck, soit (pour ce qui concerne l'espace) une dimension 10 puissance 20 fois plus petite que celle du noyau de l'atome. Contrairement à Brian Greene, qui se présente comme l'homme de la théorie des cordes, Lee Smolin a surtout travaillé la GQL.

La 3e voie vers la GQ est celle, selon Smolin, de quelques individualités qui refusent les bases à la fois de la MQ et de la RG, pour développer des concepts et formalismes entièrement nouveaux. Ils poseraient des questions telles que "qu'est-ce que le temps" et "Comment décrire un univers auquel nous participons" qui, toujours selon Smolin, devraient être à la source des avancées conceptuelles de l'avenir. Parmi eux se trouve le mathématicien français Alain Connes, qui a proposé une toute nouvelle géométrie non commutative, susceptible de rendre de grands services dans la mathématisation de la nouvelle vision. On y compte aussi David Finkelstein, Christopher Isham, Raphael Sorkin et le vétéran Roger Penrose. Lee Smolin, qui se dit d'un tempérament optimiste, estime que ces trois voies différentes devraient converger très vite, en donnant naissance à la nouvelle théorie physique que tous le monde attend depuis plus d'un demi-siècle.

Nous n'allons pas ici donner une description détaillée du contenu du livre, et moins encore discuter les hypothèses de l'auteur. Ceci nous demanderait une compétence que, nul n'en ignore, nous n'avons pas. On se bornera à signaler les éléments présentant selon nous un intérêt qui dépasse celui de la physique théorique. C'est notamment le cas de la première partie de l'ouvrage, intitulée Points de départ. Mais il sera également intéressant de suivre dans certains des chapitres constituant le corps de l'ouvrage, notamment lorsqu'il rapproche la théorie des cordes de celle de la gravitation quantique en lacets, et lorsqu'il examine les perspective à court terme de ces recherches.

Points de départ

Ces points de départ (nous dirions plutôt repères), pour Lee Smolin, ne sont pas des acquis de la science servant de base aux développements de la GG. Ce sont des principes ou postulats inspirés à l'auteur par ses travaux sur cette dernière, qui doivent nous servir d'arrière-plan paradigmatique pour comprendre les développements plus techniques constituant le reste du livre. Que sont-ils?

Il n'existe pas d'espace ou de temps absolus

Un premier repère consiste, pour Lee Smolin, à rappeler que pour les physiciens, comme pour les scientifiques en général, il n'existe rien en dehors de l'univers, qui puisse être utilisé d'une quelconque façon pour expliquer ses origines, son avenir ou son fonctionnement. L'univers est un système clos. Toute chose ou entité intérieure à lui ne peut être définie, en position, en vitesse ou autrement, que par rapport à d'autres entités également intérieures à lui. Ceci exclut par conséquent l'hypothèse d'un espace ou d'un temps " absolus " (ceux de Newton) dans lesquels l'univers serait situé. Smolin compare l'espace à une phrase. Celle-ci n'a de sens que par les mots qu'elle contient. Elle n'existe pas sans eux. Elle adopte la forme géométrique que les mots lui confèrent. On en déduit qu'il serait absurde de parler d'un univers qui ne contiendrait rien.

Dans cette façon de voir le monde, celui-ci n'est pas autre chose qu'un réseau évolutif de relations. Il en est de même de chaque chose. Les choses ne sont pas des absolus, qui puissent se définir par rapport à un cadre extérieur fixe, mais elles-mêmes des nœuds relationnels.

Lee Smolin est un grand lecteur de Leibniz. Celui-ci a eu, nous rappelle-t-il, le mérite de s'opposer à l'espace absolu de Darwin, qu'il jugeait illogique. Il a soutenu une conception relationnelle de l'univers, reprise par Mach à la fin du 19e siècle. Mais la science de l'époque n'avait pas le recul suffisant pour refuser l'absolu du temps et de l'espace, qui convenait bien pour illustrer l'idée alors prédominante d'une divinité située au-dessus du monde sensible.

La RG fut la première théorie scientifique à décrire le monde comme composé de relations entre particules de matière soumises au champ gravitationnel. Les points de l'espace n'y ont pas d'existence en eux-mêmes, mais seulement comme intersection entre lignes de ce champ. Ces lignes évoluent avec le temps et ne peuvent donc fournir de références absolues.

Il en est de même du temps. Il n'y a pas d'horloge universelle pour le mesurer. Là encore le temps se décrit en termes de changements dans le réseau des relations qui composent l'espace. Tout ce dont on parle est donc indépendant d'un arrière-plan (il s'agit de la propriété dite de la background independance). Cette propriété explique pourquoi il fut long d'établir une théorie de la GQ à partir de la RG : comment y parler de points si ceux-ci ne peuvent pas y être identifiés de manière absolue, mais seulement par référence à un réseau de relations ?

NB : nous proposons d'appliquer, toutes proportions gardées, ces considérations et les suivantes à la description de l'"univers" macroscopique décrit par les sciences humaines (voir article). La démarche sera jugée hasardeuse sur le plan scientifique, mais nous pensons néanmoins qu'elle pourrait présenter de l'intérêt.

Le statut de l'observateur

Le deuxième repère proposé par le livre concerne le statut de l'observateur. Selon la nouvelle GQ, il ne sera plus possible de distinguer l'observateur de l'observé. L'observateur ne disposera jamais de toute l'information nécessaire pour décider du vrai ou du faux.

Lee Smolin insiste sur le fait qu'il faut abandonner le préjugé scientifique selon lequel la science ne peut prétendre à l'objectivité qu'en ne prenant pas en compte l'observateur. Celui-ci, selon ce préjugé, doit s'exclure du système observé afin de ne pas le contaminer. Mais la démarche devient impossible quand ce système est l'univers entier. C'est là, selon Smolin, une des grandes difficultés de la GQ. On sait que tout observateur, où qu'il soit dans l'univers, ne peut rien voir de celui-ci au-delà de ce qui parvient dans son cône de lumière, défini par le temps que met la lumière pour l'atteindre. Il en résulte que la logique classique, selon laquelle une chose est vraie ou fausse, n'est plus applicable. Un observateur donné peut prouver que tel événement de l'univers est vrai alors qu'un autre observateur, n'étant pas informé de la même façon, ne le peut pas. On parle alors d'une logique "cosmologique" ou dépendante de l'observateur, formalisé sous le nom de Topos Theory, notamment par Christopher Isham. Il s'agit de raisonner avec une information incomplète, l'action que l'on entreprend pouvant influencer le vrai ou le faux du jugement que l'on porte sur le monde.

Dans ces conditions, selon Smolin, la rationalité d'un jugement ou d'une décision ne dépendra pas de la référence que l'on pourra faire à ce qu'un observateur extérieur au monde, qui verrait tout, pourrait en dire, non plus qu'à telle ou telle éthique prétendument inspirée par lui. Le seul jugement acceptable sera celui qui résultera du rapprochement du point de vue de nombreux observateurs ayant du monde une perception différente, et tentant d'en déduire une conception commune.

Un monde unique mais des observateurs différents.

Le troisième repère proposé est relatif à la façon dont la science doit se reconvertir pour tenir compte du fait que l'observateur est intérieur au système observé, chaque observateur ayant une vue limitée du système et différents observateurs ayant sur celui-ci des informations différentes. Le problème intéresse en premier lieu la GQ. Celle-ci pour progresser doit appliquer la MQ à l'univers entier, alors que cette dernière ne concernait initialement que les systèmes particulaires. Il s'agit essentiellement d'étudier les systèmes macroscopiques en tenant compte du principe de superposition et de la relation d'incertitude, fondements indiscutés de la MQ. On ne peut connaître complètement l'état d'un système, quand cet état résulte de la superposition de deux états, mesurant par exemple l'un sa position et l'autre sa vitesse. Dans ces conditions l'état mesuré du système décrit soit sa position, soit sa vitesse, mais non les deux. Ceci veut dire, en termes plus philosophiques, que dans de tels cas, on renonce à connaître l'état du système en soi. (l'état superposé du système). On ne le décrit qu'à partir des informations que l'on peut obtenir sur lui, nécessairement partielles. Lorsque l'observateur est inclus dans la description du système, l'incertitude s'étend à lui, comme à tous ceux qui utilisent le modèle de description utilisé. Il y a corrélation dans la superposition de tous les états quantiques, tant de l'observé que des observateurs.

Cette superposition et l'incertitude qui en découle s'étendent-elles à l'univers entier ? Oui répond selon Smolin la "cosmologie quantique conventionnelle". Mais quel sens donner alors au fait que l'univers macroscopique dans lequel nous vivons ne nous apparaisse pas en état de superposition ? Plusieurs théories ont été élaborées pour résoudre le paradoxe, dont celle dite de la décohérence. Si nous percevons l'univers d'une certaine façon et non autrement, c'est parce que nous lui posons des questions particulières qui éliminent les autres solutions théoriquement possibles. Plus précisément les questions posées doivent éliminer la possibilité de réponses en superposition (consistent history formulation). On a présenté ceci autrement en disant que le monde exprimable en termes quantiques est unique. Mais ce monde unique comporte des histoires différentes, également consistantes, qui seront produites par des jeux de questions appropriées.

Du fait cependant que tout ceci est encore en débat, Lee Smolin nous propose une conclusion d'attente utilisable dans la description du monde en termes quantiques. On peut élaborer de nombreuses descriptions quantiques d'un même univers. Chacune d'elle dépendra de la façon dont on divisera l'univers en deux parts, l'une contenant l'observateur et l'autre ce que l'observateur souhaite décrire. Chaque théorie formulera en termes quantiques ce que tel observateur particulier verra dans la partie de l'univers qu'il a décidé d'étudier. Toutes ces descriptions seront différentes, mais elles devront être cohérentes ou consistantes entre elles. Les parties observées peuvent être en état de superposition, mais chaque observateur ne se décrit pas lui-même en état de superposition, car sa description l'exclut.

On exprimera ceci en disant qu'il existe un univers unique vu par différents observateurs plutôt que des univers différents vus par un seul observateur prétendument placé en dehors du système.

L'univers est fait de processus et non de choses

La quatrième repère proposé par Lee Smolin paraîtra sans doute moins abstrait que le précédent. Dans le monde macroscopique, si à la rigueur on peut décrire les objets inanimés comme tels, on ne peut le faire des personnes. Ce sont les événements qui font leur histoire, histoires qui peuvent seules les décrire. En fait, cette constatation s'applique aux objets inanimés eux-mêmes. On distinguera les objets et les êtres vivants par le fait que les processus qui les animent sont lents pour les premiers et rapides pour les seconds. Or la science classique considère que la science doit étudier des objets aussi fixes que possible. S'ils sont en mouvement, on essaiera de les décrire par des séries d'observations restituant l'impression d'immobilité. Cette démarche n'est pas acceptable, ni en RG ni en MQ. L'une et l'autre insistent sur le fait que le monde n'est pas fait d'objets mais de processus. Le mouvement et le changement sont les premières réalités à prendre en considération, dès que l'on veut sortir des illusions pour atteindre au fondamental. Il convient donc d'apprendre un langage qui privilégie le mouvement à l'immobilité.

On dira en ce cas que l'univers consiste en un tissu d'événements. L'événement n'est pas un changement touchant un objet statique. C'est un changement et rien de plus. Un univers d'événements est dit un univers relationnel. Ses propriétés dont décrites en termes de relations entre événements. La relation la plus courante est la relation de causalité, la même causalité qui permet de relier une série d'événements au sein d'une "histoire". Dans un tel monde, le temps n'est pas situé ailleurs. Le temps et la causalité sont synonymes. On ne peut pas décrire en soi un univers de causalités. On ne peut le décrire qu'en racontant son histoire. Un univers causal ou relationnel peut être analysé comme fait de transports d'informations. Chaque événement peut être considéré comme un transistor qui reçoit de l'information d'un événement précédent, la calcule et la renvoie vers des événements de son futur. L'univers entier sera dans ce cas comparable à un ordinateur, sauf que ses circuits seront évolutifs en fonction de l'information qui y circulera.

La notion d'univers causal n'est pas étrangère à la RG. Celle-ci considère exactement l'univers comme un univers causal ou relationnel. Rien ne pouvant y voyager plus vite que la lumière, les rayons lumineux émis par un événement définissent les limites extérieures de l'avenir de cet événement. C'est le cône de lumière d'un événement. Les objets massifs courbent les cônes de lumière dans leur voisinage…

Mais la notion de structure causale de l'univers ne précise pas le nombre et la nature des événements. Si c'était le cas, on saurait tout de l'univers depuis son origine. Pour aller plus loin, on peut faire l'hypothèse que l'apparente continuité de l'espace et du temps sont des illusions. La GQ suggère que l'histoire de l'univers est faite d'un très grand nombre de petits événements élémentaires discrets. Pour les trouver, il faut descendre à l'échelle de Planck, là où les effets de la gravité et ceux de la mécanique quantique s'équivalent. L'échelle de Planck est établie en s'appuyant sur les constantes élémentaires de la physique, la constante de Planck (MQ), la vitesse de la lumière (relativité restreinte) et la constante gravitationnelle (Newton). Ces échelles, nous rappelle Lee Smolin, sont incroyablement petites. Un clin d'œil prend autant d'unités de temps fondamental que le Mont Everest a d'atomes. On parle aussi de la température de Planck, si élevée que les structures de la géométrie de l'espace y fondent.

Tout ceci montre que notre connaissance de l'univers est encore infime au regard de ces "réalités premières". Nous en savons autant, dit Smolin, qu'un pingouin en sait du mécanisme de la bombe atomique. Notre monde tel qu'il nous apparaît est en tous cas incroyablement gros, lent et froid au regard de l'univers fondamental. Les particules élémentaires ne sont pas des objets mais des processus se déroulant aux échelles de Planck.

Après avoir posé ces quatre repères préalables, l'auteur va nous entraîner au cœur de ce que propose la GQ relativement à l'univers. Il précisera ensuite ce qui selon lui reste à découvrir, et les voies pour y arriver. Nous renverrons les lecteurs intéressés au livre, nous bornant à signaler ici quelques points particulièrement intéressants pour les non-spécialiste.

Théorie des cordes et Gravité quantique en lacets

Les trous noirs (p. 70 et suiv.)

Les trous noirs, dans ce livre comme dans le précédent, sont présentés comme jouant un rôle essentiel. Des centaines de gens travaillent sur eux. Bien que, par définition, aucun d'eux ne soient visibles, on soupçonne que leur nombre, simplement dans notre galaxie, dépasse les centaines de millions (soit probablement des milliards de milliards pour l'univers entier). Il existerait par ailleurs, au centre de notre galaxie (comme sans doute de toutes les galaxies) un trou noir gigantesque représentant plusieurs millions de masses solaires. Pour les physiciens, nous indique Lee Smolin, ils auront un autre intérêt, se comporter comme des microscopes d'un très grand pouvoir de résolution permettant de voir ce qui se passe aux échelles de Planck. Un microscope ordinaire ne permet pas de voir les objets plus petits que la longueur d'onde de la lumière utilisée. Mais les événements survenant à la limite de l'horizon d'un trou noir (avant d'être absorbés par lui et disparaître dans ses "parties cachées") sont agrandis du fait que la lumière qui nous en parvient voit sa longueur d'onde étirée par la proximité du trou noir. Ce phénomène n'a pas encore eu d'applications pratiques, mais Lee Smolin pense que prochainement, des prédictions faites à ce sujet pourront être vérifiées.

Quoi qu'il en soit, on voit comment des objets aussi exotiques pour le sens commun que les trous noirs deviennent dans ces hypothèses les briques indispensables à notre description de l'univers, des compagnons familiers si l'on peut dire, de la physique moderne - alors que tout voyageur qui franchirait l'horizon d'un tel objet disparaîtra à jamais pour nous. Ce qui est plus étonnant encore est de voir comment, par éducation progressive, chacun s'habitue à ces hypothèses, corollaires de celles concernant l'univers lui-même, ou les univers multiples.

Les chapitres suivants introduisent, avec la notion d'un observateur en accélération dans l'espace cosmique, à l'approche quantique des trous noirs. Deux lois "simples" nous sont présentées, suite aux travaux de jeunes physiciens disciples deWheeler, considéré comme l'inventeur du concept de trou noir : celle de Unruh "des observateurs en accélération constatent qu'ils sont entourés d'un nuage de photons chauds dont la température est proportionnelle à l'accélération" et celle de Bekenstein "à chaque horizon qui sépare un observateur d'une région qui lui demeure cachée, on peut associer une entropie qui mesure la quantité d'information cachée derrière l'horizon. Cette entropie est toujours proportionnelle à la surface de l'horizon". Ceci est intéressant dans la mesure où les trous noirs sont présentés comme des puits d'information, dont on pourra se demander ce qu'elle devient, une fois de l'autre côté de l'horizon du trou noir.

Cordes et champs (p. 106 et suiv.).

Lee Smolin minimise manifestement la compétition qui oppose, dans la nouvelle physique, les théoriciens des cordes et ceux de la gravité quantique en lacets (GQL) laquelle exploite le concept des champs. La, ou plutôt les théories des cordes, car il y en eut plusieurs, remontent à plus de trente ans. Leur histoire a été souvent décrite. Moins connue est celle, plus récente, de la GQL, dont Lee Smolin fut un des acteurs influents. Le livre consacre donc beaucoup de pages à décrire le chemin tortueux et les difficultés rencontrées dans l'émergence de la GQL. Il s'agit là de confidences très intéressantes, à comparer avec les carnets dans lesquels Albert Einstein avait confié ses propres hésitations et difficultés. Ceci dit, il nous explique aussi clairement que possible les différences entre Théorie des cordes et GQL . Résumons très sommairement.

Il convient de partir du fait que les quarks, considérés jusqu'aux années 1970 comme les constituants ultimes des protons et neutrons, apparaissent toujours comme indissociables. Tout se passe comme si une corde les liait entre eux, susceptible de s'étendre mais non de se rompre. En quoi consiste cette corde ? Elle se comporte comme une ligne de flux magnétique dans un superconducteur. On peut en déduire que l'espace vide est un superconducteur pour les flux chromo-électriques de la chromodynamique quantique (ce nom car celle-ci analyse différents types de quarks baptisés de noms de couleurs).

Mais à ce stade, il faut se demander quel est le constituant ultime. Est-ce le champ chromo-électrique ? Dans ce cas on étudie les cordes étendues entre les quarks comme les conséquences d'un espace ayant les propriétés d'un super-conducteur. C'est la question que se posent les physiciens qui travaillent sur la chromodynamique quantique : pourquoi l'espace vide a-t-il des propriétés telles qu'il se comporte comme un superconducteur ? Sont-ce au contraire les cordes ? Dans ce cas les lignes du champ n'en donnent qu'une vue approximative. Dans la suite du livre, l'auteur rappelle que pour la théorie moderne des cordes, les diverses particules correspondent à des formes adoptées par les cordes lorsqu'elles sont soumises à un certain nombre de flux. La corde serait donc, si l'on peut dire, la mère des particules. Ceci explique d'ailleurs pourquoi la théorie des cordes est préférée à la GQL par les physiciens venus du monde des particules, car ils peuvent y réintroduire tout ce qu'ils ont appris depuis 50 ans en travaillant dans les grands accélérateurs.

La troisième possibilité, à laquelle se rallie Lee Smolin, est que les deux interprétations doivent être superposées. L'une et l'autre constituent des façons différentes de regarder la même chose. Ce point de vue, dit hypothèse dualiste, est celui qui intéresse le plus de physiciens aujourd'hui. L'hypothèse dualiste ne doit pas être confondue avec la dualité onde-particule de la MQ, mais elle réconcilie cependant les deux approches antagonistes de la physique depuis 150 ans, opposant champs et particules, opposition indispensable puisqu'il est avéré que les particules n'interagissent pas directement mais à travers des champs. Dans cette hypothèse, il devient possible de considérer que l'espace est quantifié, c'est-à-dire qu'il n'a pas (non plus d'ailleurs que le temps) de structure continue, susceptible de division à l'infini. 1)

L'invention de la GQL (p. 127 et suiv.).

Lee Smolin raconte comment il eut l'idée des lacets (loops) qui donnent leur nom à la GQL et qui sont finalement, pour celle-ci ,les constituants ultimes de l'univers, plutôt que les cordes. Lui et ses collègues décidèrent d'appliquer à la description quantique des cordes dans un réseau les équations de la relativité générale (RG) d'Einstein modernisées par un jeune chercheur relativiste nommé Amitaba Sen. Tout se déroula parfaitement (après plusieurs années de travail), ce qui permis de réaliser la synthèse attendue entre la MQ et la RG. Mais dans cette approche, on voit que la théorie de la gravitation quantique découle d'une quantification, si l'on peut dire, de la RG, quantification postulée précisément par ce terme de Gravitation quantique. L'avantage de cette solution est qu'elle fournit des solutions indépendantes d'un espace en arrière-plan - contrairement à l'ensemble de la physique(excepté la RG) qui se réfère à tel ou tel type d'espace. Les lacets, qui peuvent se nouer et se lier (knots, links and kinks) définissent à eux-seuls une géométrie dynamique de l'espace-temps, sans avoir besoin d'un cadre de référence déterminé et non-dynamique.

La théorie des cordes (p. 146 et suiv.).

Lee Smolin, quoi qu'il en soit, n'est pas très positif dans l'exposé qu'il fait de la théorie des cordes. Il rappelle d'abord son histoire longue et mouvementée (Avant 1995, il y avait 9 théories des cordes, qui commencèrent à fusionner avec les travaux de Edward Witten, sous le nom de théorie M). De plus, encore aujourd'hui, elle n'est pas indépendante d'un espace en arrière-plan, contrairement à la RG pour qui l'espace-temps n'est qu'un ensemble évolutif de relations. Enfin et surtout, elle n'a pas encore acquis la forme d'une théorie définitive, si bien qu'il est difficile de la qualifier de théorie (2). Ceci n'empêche pas de devoir prendre au sérieux la théorie des cordes. Pour elle, les particules n'existent pas. Il n'y a que des cordes, minuscules objets unidimensionnels faits de rien d'autre. Les différentes sortes de particules correspondent à des modes différents de vibrations de ces cordes. Leurs formes, interactions et les phénomènes en découlant peuvent être ramenées à des modifications de forme et d'interactions entre ces cordes. Les liens entre la théorie des cordes et la physique des particules permettent aux promoteurs de la première d'espérer pouvoir tester celle-ci à l'occasion des prochains tests de la supersymétrie (recherche de bosons et fermions associés par pairs) dans le futur grand accélérateur du CERN (3) . Pour Lee Smolin, la théorie M, qui devrait unifier les différentes théories des cordes, représente un grand espoir, auquel il travaille lui-même. Celle-ci devrait, selon lui, confirmer l'hypothèse du caractère discret de l'espace et du temps. Nous ne présenterons pas ici les justifications de l'hypothèse (voir p. 163 et suiv.)

Notes
(1) On se souviendra que pour Stephen Wolfram, l'espace et le temps sont discontinus, ce qui permet de simuler les phénomènes qui s'y déroulent avec des automates cellulaires.
(2) On rappellera que pour les défenseurs de la théorie des cordes, ces critiques n'enlèvent rien a la validité de la théorie (voir Brian Greene, The elegant universe, cité ci-dessous).
(3) Voir sur cette question l'article de Ignatios Antoniadis, directeur de recherche au CNRS, dan la Recherche n° 343 référencé ci-dessous : Prouver la théorie des cordes ?

Pour en savoir plus
On pourra consulter les travaux de Carlo Rovelli, associés à ceux de Lee Smolin notamment dans le domaine de la gravité quantique en lacets :
http://www.phys.uniroma1.it/DOCS/DIR/rovelli.html
.
Carlo Rovelli est, entre autres, professeur au Centre de physique théorique, Luminy, Marseilles email:rovelli@cpt.univ-mrs.fr.
Voir aussi Home Page : http://www.phyast.pitt.edu/~rovelli/
Sur la théorie des cordes, l'ouvrage de référence est celui de Brian Greene : l'Univers élégant (version française chez Robert Laffont, 1999). Voir http://www.wwnorton.com/catalog/fall98/greene1.htm (tous publics).
Sur la gravité quantique, et plus particulièrement la théorie des cordes, voir aussi en français: La Recherche, n° 343, juin 2001
Sur la Topos theory : http://www.mmsysgrp.com/QuantumGravity/topos.htm et http://math.ucr.edu/home/baez/topos.html (pour mathématiciens seulement)
Pour ceux qui voudront accéder à la littérature scientifique la plus récente, l'auteur recommande le site d'archives http://xxx.lanl.gov/


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