Précisions sur la gravité quantique

Le mandat principal de l'Institut Perimeter est de mener des recherches sur les problèmes fondamentaux de la physique théorique. Aucun problème n'est plus fondamental que celui de découvrir la théorie quantique de la gravité. Il s'agit de la théorie qui unifiera les deux principales théories sur lesquelles l'ensemble de la science est actuellement fondé : la théorie quantique et la relativité générale.

La théorie quantique moderne fut développée dans les années 20 à titre de réaction à la constatation que les lois de Newton, quoiqu'indispensables pour la compréhension de l'ensemble de l'univers physique, de la construction de ponts au déplacement des planètes, ne peuvent absolument pas expliquer le fonctionnement interne de l'atome ou la physique des particules subatomiques. Il fut constaté que le tissu de la réalité à de telles échelles très microscopiques est tout à fait autre que notre image « sensée » du monde — beaucoup plus subtil et magnifique — et que les lois de Newton ne sont qu'un maigre aperçu de cette plus profonde réalité sous-jacente. Il est impossible d'exagérer l'énorme succès et l'importance de la théorie quantique. De l'explication des mystères du tableau périodique des éléments à ses applications dans une gamme importante de technologies chimiques et biochimiques, et de sciences physiques. De la compréhension de l'interaction de la lumière et de la matière à des applications, telles que le laser, utilisé partout, des lecteurs de CD et de DVD au transport du trafic Internet à haute vitesse actuel et aux expériences en technologie de la fusion. Des appareils d'imagerie par résonance magnétique (IRM) utilisés en médecine aux dispositifs supraconducteurs à interférences quantiques (SQUID) utilisés pour la recherche de nouvelles réserves pétrolières ou pour enregistrer l'activité électrique du cerveau. La liste est sans fin. Toutefois, malgré que notre univers soit nettement fondé sur des mécaniques quantiques, la théorie quantique contient des mystères qui ne cessent d'intriguer les théoriciens. Pourquoi existe-t-il un caractère aléatoire et une incertitude inhérents au cœur de la théorie quantique? La théorie quantique est-elle réellement une description complète de la réalité, et si oui, comment devons-nous interpréter ce qu'elle affirme sur la nature de notre univers? Parmi d'autres, il s'agit là de questions faisant l'objet de recherches effectuées à l'Institut Perimeter par des chercheurs œuvrant dans deux domaines chevauchés, les « fondements de la théorie quantique » et la « théorie de l'information quantum ».

D'autre part, la relativité générale est la théorie de l'espace, du temps et de la gravité d'Einstein. Elle représente également le cadre servant à notre compréhension moderne de la cosmologie — la théorie de l'histoire et de la compréhension de l'ensemble de l'univers. En réaction aux profonds problèmes conceptuels inhérents aux idées newtoniennes, Einstein a développé une compréhension entièrement nouvelle de l'univers dans laquelle la gravité n'est pas une force, tel qu'affirmé par Newton, mais plutôt une manifestation de la géométrie (la distorsion, ou courbure) de l'espace et du temps mêmes. (Plus sur ce sujet ici.) Cette profonde vision s'est avérée un énorme succès. Commençant par le système solaire, qui ne contient que de très faibles champs gravitationnels, les prédictions de la relativité générale en matière de mouvement des planètes ne diffèrent que peu de celles de la théorie de Newton, mais pour chaque tel écart examiné, la relativité générale a réussi l'examen alors que la théorie de Newton a échouée. Mais c'est dans le domaine des puissants champs gravitationnels que la relativité générale s'avère concluante, prédisant divers nouveaux phénomènes sans contrepartie dans la théorie de Newton : trous noirs, effet lenticulaire gravitationnel, dilatation du temps, effet Lense-Thirring, ondes gravitationnelles, etc. La plupart de ces prédictions (c.-à-d. toutes celles pouvant être mises à l'essai à l'aide de la technologie actuelle) ont été contrôlées. En résumé, Einstein une magnifique nouvelle compréhension géométrique de l'espace, du temps et de la gravité qui a supplanté la théorie newtonienne et a réussi toutes les expériences que la technologie moderne nous permet d'exécuter.

La théorie quantique et la théorie de la relativité furent toutes deux créées au début du 20e siècle, et chacune représentait une déviation sensible des théories antérieures ancrées dans les idées de Galilée et Newton. Vers les années 20, cette dernière théorie fut définitivement renversée et remplacée, non pas par une seule, mais par deux théories — la théorie quantique et la théorie de la relativité, les deux ayant connu un succès phénoménal. Il s'agissait définitivement d'une importante révolution scientifique, mais malgré tout, incomplète, car l'unité de la nature exige d'être décrite par une théorie unique. De plus, l'univers contient de profonds mystères que ni la théorie de la gravité, ni la théorie quantique ne peuvent décrire à elles seules. Par exemple, quelle est l'origine de l'univers? Il existe un nombre énorme de preuves soutenant l'image du Big Bang, mais cette image donne à croire que l'univers entier, présentement composé de volumes quasi inimaginables d'espace contenant d'innombrables étoiles et galaxies fut, vers le début du Big Bang, comprimé à une dimension beaucoup plus petite que le noyau d'un seul atome! La description d'une situation si uniquement bizarre que celle-là exigera une théorie sans failles combinant nos meilleures connaissances des plus petits éléments (théorie quantique) et nos meilleures connaissances de l'espace, du temps et de la gravité (relativité générale). Actuellement, nous ne possédons que des aperçus d'une telle théorie unifiée. Nommée théorie quantique de la gravité (ou gravité quantique), cette théorie fait actuellement l'objet de recherches actives à l'Institut Perimeter et autres institutions mondiales, et est largement acceptée à titre de Saint-Graal de la physique théorique du 21e siècle.