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Par exemple, la relativité générale prévoit qu'un trou noir se formera lorsqu'une quantité de masse est comprimée dans une région de l'espace suffisamment petite, ce qui devrait se produire, par exemple, lors de l'effondrement du noyau d'une étoile de haute densité générant une bouffée de rayons gamma. L'espace-temps sera tellement courbé, et la gravité tellement intense, qu'une région de l'espace sera créée, d'où rien, même la lumière, ne pourrait s'échapper. Pendant ce temps, la matière à l'intérieur continue de s'effondrer jusqu'à ce que sa densité devienne infinie, la courbure de l'espace-temps devient infinie et le temps à l'intérieur du trou noir « prend fin ». De manière semblable, les modèles basés sur la relativité générale et décrivant l'évolution de notre univers, prédisent que le cosmos avait un début – un « temps zéro » – où la densité de la matière et du rayonnement et la courbure de l'espace-temps étaient infinis, sans donner aucune explication des étapes précédentes, sans même les mentionner.

Pour les physiciens, de telles infinités sont un signal d'avertissement. Elles indiquent que notre description des processus a atteint ses limites et ne suffit plus. Notre théorie ne parvient pas à tenir compte d'un aspect clé de la nature de la réalité. Ainsi, près du « temps zéro » (lors du Big bang), cette matière, équivalente à des milliards de galaxies observables dans l'univers aujourd'hui (sans compter une quantité encore plus importante de matière noire), a occupé une région de l'espace beaucoup plus petite que le noyau d'un seul atome! Pour décrire une situation aussi bizarre, une théorie qui permette de fusionner parfaitement nos idées les plus avancées du très petit (physique quantique) avec nos idées les plus avancées de l'espace, du temps et de la gravité (relativité générale) serait nécessaire. La nature quantique de l'espace, du temps et de la gravité est ce que la relativité générale ne réussit pas à prendre en compte.

D'autre part, la théorie quantique a été d'abord développée dans le contexte de l'espace et du temps de Newton et de Galilée. Elle a ensuite été étendue à l'espace-temps plat de la théorie de la relativité spéciale d'Einstein (c.-à-d., l'espace-temps en l'absence de la matière), laquelle a servi de fondement mathématique au modèle standard de la physique des particules. Elle a même été étendue, entre autres, à l'espace-temps courbé d'un trou noir, ce qui a amené la prédiction du rayonnement de Hawking : qu'un trou noir n'est pas réellement noir, plutôt incandescent comme une braise chaude. Mais dans tous ces cas, l'espace-temps est toujours considéré comme une toile de fond, où seuls la matière et le rayonnement sont les joueurs actifs, contrairement à la leçon principale de la relativité générale, selon laquelle l'espace-temps est dynamique.

Unification

À un niveau fondamental, la théorie de la relativité générale et la théorie quantique sont donc perçues comme étant contradictoires et mutuellement incompatibles, ce qui devient évident dans des situations où ces deux aspects de la nature deviennent également importants, par exemple, près du Big Bang ou des singularités des trous noirs. C'est pour cette raison que nous ne sommes toujours pas satisfaits des énormes progrès de la théorie de la relativité et de la théorie quantique et que la révolution qu'elles ont commencée demeure inachevée. Il est nécessaire de combiner ces deux façons de penser en un seul cadre conceptuel théorique fondamental qui est la « gravité quantique ».

Elles doivent, en effet, être unifiées pour que nous puissions répondre à une multitude de questions intéressantes et profondes : Pouvons-nous revenir dans le temps? Est-ce que l'information est perdue lorsqu'elle tombe dans un trou noir? Quelle est la nature de la singularité matière-espace-temps à l'intérieur d'un trou noir? Et enfin, peut-être la plus importante de toutes : Quelle est l'origine de notre univers? Comment est-il venu à exister? Y avait-il quelque chose avant le Big Bang? Comment pourrait-il ne pas y en avoir eu?

L'histoire de la physique nous a appris maintes fois que lorsque nous réussissons à unifier des théories en apparence disparates, il en résulte un grand progrès, qui mène invariablement à une meilleure compréhension – et de plus profondes questions – concernant les rouages de notre mystérieux univers. Parce que la recherche d'une théorie de la gravité quantique représente un défi de taille pour le fondement même de notre compréhension de notre univers, il est peu probable qu'il suffise de mélanger la théorie quantique avec la théorie de la relativité, un changement du paradigme serait plutôt nécessaire. Ce paradigme pourrait être aussi différent de notre façon de penser actuelle que les théories quantique et de la relativité l'étaient autrefois, ce qui est captivant.

Le cœur du problème

Comme souligné ci-dessus, la leçon centrale de la relativité générale est que l'espace-temps n'est pas fixe. Il est une entité physique pleinement dynamique, à pied d'égalité avec la matière. Pour commencer, la matière ne se déplace pas simplement dans un espace-temps inerte et statique, selon la manière dont l'espace-temps est courbé; il courbe aussi l'espace-temps même dans lequel il se déplace. Par exemple, deux trous noirs en orbite l'un autour de l'autre émettront des ondes gravitationnelles (voir la figure) : des ondulations dans la géométrie de l'espace, semblables à la lumière ou à d'autres ondes électromagnétiques; en particulier, les deux transportent de l'énergie. Elles sont une entité physique aussi réelle que la lumière du Soleil, qui transporte l'énergie qui réchauffe la Terre. L'espace-temps courbé est du domaine de la physique, non seulement des mathématiques. Cela a de profondes conséquences que nous ne comprenons pas entièrement, même au niveau classique.

Qu'en est-il de la nature quantique d'un tel courbage dynamique? Tout comme la nature quantique de l'électromagnétisme (c.-à-d., photons) a été nécessaire pour comprendre comment la lumière et la matière interagissent, nous croyons généralement que la géométrie de l'espace-temps dynamique doit aussi être « quantifiée » de la même manière. Le cœur du problème est que notre compréhension traditionnelle de la théorie quantique est profondément enracinée dans des espaces-temps fixes : soit dans l'absolu de l'espace et du temps de Newton (mécanique quantique originale de l'atome), soit dans l'espace-temps plat absolu de la relativité spéciale (modèle standard de la physique des particules), ou l'espace-temps courbe fixe, par exemple, d'un trou noir (rayonnement de Hawking). Ce que nous tentons de comprendre est la nature quantique de la structure même à laquelle nous nous fions habituellement pour comprendre la théorie quantique. C'est une énigme autoréférentielle d'une grande profondeur et d'une subtilité exquise. Par exemple, utiliser les idées qui ont été adaptées avec un grand succès en physique des particules (avec son fond d'espace-temps fixe) s'est avéré être un échec monumental. Nous avons besoin de nouvelles façons de penser.

Nouvelles façons de penser

Un certain nombre d'approches à la gravité quantique sont apparues. Les deux approches les plus étudiées sont la théorie des cordes et la gravitation quantique à boucles. La première est discutée ici. La deuxième commence par une reformulation de la relativité générale qui met en évidence sa similarité mathématique avec l'électromagnétisme. Tenter de quantifier la relativité générale dans le cadre de cette nouvelle formulation tout en respectant la leçon principale de la relativité générale – non pas de présumer un espace-temps de fond fixe – nous a amenés à une nouvelle méthode de quantification à boucles, laquelle a été validée dans l'environnement plus familier de l'électromagnétisme.

Le résultat de cette construction mathématique est appelé « gravitation quantique à boucles », où l'espace peut être imaginé comme étant rempli d'un dense réseau de spins ayant des propriétés géométriques quantifiables. Chaque limite d'un tel réseau transporte une quantité abstraite appelée « spin ». Une surface bidimensionnelle qui coupe un tel réseau, p. ex., la surface d'un trou noir, acquiert une surface proportionnelle à la quantité totale de spins dans les limites pénétrant la surface (voir la figure). Tout comme les niveaux d'énergie quantifiée de l'atome d'hydrogène, les valeurs admissibles de la surface sont quantifiées. Les volumes d'espace, ainsi que son courbage et sa déviation, sont aussi quantifiés. Par conséquent, l'espace n'est pas lisse, mais plutôt granulaire; les « atomes » d'espace existent tout comme des atomes de matière ordinaire. De tels réseaux de spins évoluent avec le temps par étapes discrètes.

Voici d'autres approches importantes à la gravité quantique :

1. Les ensembles causaux, présentés par Rafael Sorkin, dans lesquels les points d'espace-temps (événements) sont présumés être discrets, comme des paillettes sur un gâteau. Cette approche a comme point de départ les règles de base de la relativité déterminant les événements qui peuvent, ou ne peuvent pas, influencer d'autres événements : quelque chose ici et maintenant peut influencer quelque chose ailleurs et à un autre moment uniquement au moyen des signaux respectant la limite universelle de la vitesse de la lumière.
2. Les approches de triangulation, où l'espace ou l'espace-temps sont « triangulés » comme un dôme géodésique. La courbure (déviation) se produit de la façon dont les « triangles » (ayant plus de dimensions) s'emboîtent.
3. La théorie des twisteurs, présentée par Roger Penrose, considérant les rayons de lumière, plutôt que les points d'espace-temps, comme les éléments les plus primitifs de l'espace-temps. Cette nouvelle interprétation de l'espace-temps donne une nouvelle description puissante de la manière dont les particules et les forces fondamentales agissent les unes sur les autres.

Ces approches, et plusieurs autres, sont toutes étroitement liées, à un certain degré, et représentent ensemble l'un des défis intellectuels les plus passionnants de tous les temps.

Est-ce que l'on y est arrivé?
 
Comment le saurions-nous? Pour répondre à cette question, on peut recourir à la théorie. Certains physiciens espèrent qu'il existe seulement une seule « théorie qui explique tout » et qui, en plus, est mathématiquement auto-cohérente. Dans ce cas, l'univers est comme il est parce que rien d'autre n'est possible. Cependant, cela semble de plus en plus improbable. L'autre réponse serait de recourir à l'expérience, ce qui peut nous permettre de distinguer entre les diverses théories candidates. 

Les défis sont énormes. Pensez que la matière ordinaire, comme une chaise faite d'atomes, ne peut pas exister dans l'univers non quantique de Newton, et pourtant la nature quantique de la chaise n'est pas évidente à moins de faire un « zoom avant » jusqu'à l'échelle des atomes – environ 10^-10 mètre. La nature quantique de l'espace, du temps et de la gravité peut être essentiellement similaire à l'existence même de l'univers, mais pour nous les effets de la gravité quantique deviennent évidents seulement si nous faisons un zoom avant dans l'échelle de Planck, soit environ 10^-35 mètre. Étant donné que nous sommes actuellement en mesure de faire un zoom avant (à l'aide de l'accélérateur de particules de haute énergie) à seulement 10^-18 mètre, soit cent millions de milliards de fois trop peu, il semble sans espoir que nous puissions un jour observer directement les effets de la gravité quantique. 

Cependant, des essais indirects pourraient être possibles. Par exemple, si l'espace est en quelque sorte granulaire, les photons de longueurs d'onde (couleur) différentes pourraient « sentir » cette granularité à des degrés différents, ce qui agirait sur leur vitesse de manière différente. Un tel effet serait très léger, mais il serait heureusement aussi cumulatif. Par exemple, des photons de couleur différente, émis au même moment par une bouffée de rayons gamma et se déplaçant à des vitesses légèrement différentes sur une distance à l'échelle cosmique, pourraient atteindre la Terre à des moments différents et mesurables. Voir la figure. L'une des théories candidates pourrait donner, par exemple, un modèle fiable de la toute première phase de l'évolution cosmique, le Big Bang, et donc des prédictions vérifiables concernant les conséquences observables du Big Bang. Il est à noter que dans ces deux exemples, nous utilisons l'univers même comme une « loupe » aux dimensions cosmiques pour effectuer des expériences à l'échelle de Planck qui est incroyablement petite!

Pour en apprendre davantage sur les études de la gravité quantique à l'Institut Perimeter et ses chercheurs, veuillez cliquer ici.