Les grands défis d’aujourd’hui

La vidéo ci-contre (Zebroloss) présente la problématique de cette quête à la Théorie du tout.

Parmi les approches les plus prometteuses, nous nous intéresserons plus particulièrement à deux d’entre elles :

• Les théories des cordes qui postulent que les particules élémentaires sont en réalité de minuscules cordes vibrantes. La version supersymétrique de la théorie, la théorie des supercordes, introduit des dimensions supplémentaires et des objets étendus appelés branes, ouvrant la porte sur les multivers. 
• La gravitation quantique qui vise à « quantifier » la gravité, c’est-à-dire à la décrire dans le cadre de la Mécanique Quantique. Plusieurs approches existent, comme la gravité quantique à boucles, qui propose une structure discrète de l’espace-temps.

La théorie des cordes initiale, est née dans les années 1960 pour décrire les interactions fortes.  Mais ce sont ses évolutions, avec les supercordes, dans les années 1970, qui se sont imposées parmi les candidates les plus prometteuses pour une théorie du tout.

Les principes de base :

La théorie des cordes postule que les particules élémentaires ne sont pas des points mais de minuscules cordes vibrantes extrêmement petites. La taille minimale d’une corde est la taille de Planck (1,6 10^-35m). Plus une corde vibre, plus elle a besoin d’énergie et plus sa masse est importante. Ces cordes peuvent être fermées ou ouvertes. Les cordes fermées sont généralement associées aux particules de force (bosons) alors que les cordes ouvertes sont plutôt associées aux particules de matière (fermions). Chaque mode de vibration correspond à une particule différente, incluant le graviton, la particule médiatrice de la gravitation.

La vidéo ci-contre (ScienceEtonnante) explicite les principes de base des théories des cordes.

Les grands noms :

Gabriele Veneziano, John Schwarz et Michael Green sont souvent cités comme les pionniers de la théorie des cordes. Leurs travaux ont posé les bases de la théorie dans les années 1970.

Puis des physiciens comme Edward Witten, Joseph Polchinski et Leonard Susskind ont joué un rôle crucial dans le développement de la théorie des supercordes et de ses applications. Edward Witten a notamment reçu la médaille Fields pour ses contributions à cette théorie.

Aujourd’hui de nombreux chercheurs poursuivent les travaux de leurs prédécesseurs. Leurs noms sont moins connus du grand public, mais on peut citer par exemple:

– Juan Maldacena (Princeton), physicien argentin réputé pour la « conjecture AdS/CFT », une correspondance profonde entre la théorie des cordes et les théories quantiques des champs, qui a ouvert de nouvelles perspectives en physique théorique.

– Cumrun Vafa (Harvard), physicien irano-américain, théoricien de premier plan, connu pour ses travaux sur la théorie des cordes, la géométrie algébrique et la théorie des champs conforme.

En France, des institutions comme le CNRS, l’Institut de Physique Théorique (IPhT), l’École Polytechnique et l’Université Paris-Saclay, abritent des équipes de recherche de renommée internationale.

La théorie des cordes initiale :

Cette première version de la théorie, aussi appelée théorie des cordes bosoniques, ne contenait que des bosons, particules élémentaires associées aux forces, mais aucune particule de matière (fermions).

D’autre part cette théorie faisait apparaître une nouvelle particule : le tachyon. Cette dernière présentait cependant une incompatibilité avec la Relativité Générale: sa vitesse serait supérieure à celle de la lumière.

Par ailleurs cette première théorie nécessitait l’existence de 26 dimensions, les 4 dimensions de l’espace-temps plus 22 dimensions supplémentaires « cachées ».

Ces trois difficultés majeures ont ensuite été gommées par l’émergence d’une nouvelle version basée sur la supersymétrie.

Δ  La théorie des supercordes :

Il s’agit de l’extension de la théorie des cordes, développée dans les années 1970, qui introduit un nouveau concept : la supersymétrie (ou Susy). Cette dernière associe chacune des particules de matière (fermions) et de force (bosons) du modèle standard (cf la page « Atomes et particules ») à une particule supersymétrique équivalente mais de spin différent. Ces couples de particules sont appelés « superpartenaires ».

La vidéo ci-contre (ScienceClic) précise les différents concepts de la théorie.

Cette théorie résout plusieurs difficultés de la théorie des cordes initiale:

– la particule tachyon de la théorie initiale, qui n’a pas de superpartenaire dans la théorie des supercordes, n’existe pas dans cette dernière,

– le nombre de dimensions diminue de 22 à 10. Les 6 dimensions supplémentaires par rapport aux 4 dimensions de la Relativité Générale peuvent être vues comme des dimensions finies « repliées » sur elles-mêmes dans des espaces dits de Calabi-Yau (voir figure ci-contre). Ces dimensions supplémentaires détermineraient les modes vibratoires des cordes.

– la théorie des supercordes améliore également la stabilité de la théorie.

En fait 5 variantes de cette nouvelle théorie ont été développées dans les années 1080-95. Celles-ci sont équivalentes et se différencient par les caractéristiques des modes vibratoires ainsi que par des symétries légèrement différentes.

En 1995, ces 5 variantes ont été unifiées par le physicien Edward Witten dans la théorie M. Celle-ci fait appel à 11 dimensions ainsi qu’au concept de « branes« . Les branes sont des objets étendus, comme des membranes, sur lesquels les cordes peuvent être attachées ou se déplacer. Notre univers pourrait ainsi être considéré comme une brane à quatre dimensions (trois spatiales et une temporelle) flottant dans un espace à plus de dimensions. Seules les cordes ouvertes seraient liées à notre brane. Le graviton, lui, pourrait être une corde fermée et ainsi ne pas être attaché à notre espace-temps, mais à un espace plus large constitué de plusieurs branes, plusieurs espace-temps, l’espace de bulk. La notion de branes ouvre donc sur des univers parallèles, chacun étant situé sur une brane différente. Nous sommes là dans le Multivers.

Succès et défis :

La théorie des cordes a connu des succès notables : elle offre une description quantique de la gravitation; elle unifie toutes les forces fondamentales et elle prédit l’existence de dimensions supplémentaires.

Cependant, elle fait face à de nombreux défis : aucune expérience n’a encore confirmé les prédictions de cette théorie; la théorie admet un paysage de solutions extrêmement vaste, rendant difficile l’identification du modèle correct; la théorie nécessite un formalisme mathématique complexe et peu intuitif.

Perpectives :

Malgré ces défis, la théorie des cordes reste un domaine de recherche actif.

Sa validation expérimentale pourrait notamment provenir des accélérateurs de particules du CERN comme le LHC (Large Hadron Collider) ou bientôt le FCC (Future Circular Collider).

Les physiciens explorent également de nouvelles approches, comme la correspondance AdS/CFT, pour relier la théorie des cordes à des systèmes physiques observables.

Les progrès en cosmologie et en physique des hautes énergies pourraient également fournir des indices précieux pour tester cette théorie.

La gravité quantique à boucles (ou LQG : Loop Quantum Gravity) propose une discrétisation de l’espace-temps, quantifiant ainsi la gravité. Cette théorie offre une approche radicalement différente de la gravitation. C’est l’une des théories les plus prometteuses dans la quête de l’unification de la Relativité Générale et de la Mécanique Quantique.

Δ  Principes de base :

Au cœur de la LQG, l’espace-temps n’est plus une toile de fond continue, mais une structure discrète composée de « quanta » d’espace-temps.

Ces quanta sont d’une dimension infime en regard des atomes (taille minimum = longueur de Planck, 1,6 10^-35m).

De façon extrêmement simplifiée, chacun de ces « grains » élémentaires d’espace-temps est caractérisé par une valeur de « spin ». Les quanta forment des « boucles » de spins identiques. Ces boucles sont imbriquées dans une structure en réseau.

Ces réseaux se transforment en fonction de la gravité. Par exemple, lors d’une très forte gravité, comme c’est le cas dans un trou noir, ou aux tout premiers instants du Big Bang (<10^-36 seconde), ces réseaux se contractent jusqu’à la densité maximum admise par la théorie, la densité de Planck (5 10⁹⁶ kg/m³). Cette densité ne peut donc être infinie. Et le volume associé ne peut être nul du fait de la taille minimum des quanta d’espace-temps. Les singularités au centre des trous noirs ainsi qu’au « point zéro » du Big Bang sont donc supprimées.

Pour plus de détail, dans les deux vidéos ci-contre « La gravité quantique à boucles (vidéo 1) » et « La gravité quantique à boucles (vidéo 2)« , Jean-Pierre Luminet, astrophysicien au Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (LAM), retrace la genèse de la gravité quantique à boucles et en précise les concepts fondamentaux.

Les grands noms :

Les fondations de la LQG ont été posées dans les années 1980. De nombreux physiciens et mathématiciens de renom ont participé, et participent encore, au développement de cette théorie.

Nous pouvons citer par exemple:

Abhay Ashtekar: Physicien indien. Il a reformulé la Relativité Générale d’une manière qui a facilité la quantification.

Carlo Rovelli: Physicien théoricien italien, il est l’un des fondateurs de la gravité quantique à boucles et a écrit plusieurs ouvrages de vulgarisation très appréciés sur le sujet.

Lee Smolin: Physicien théoricien canadien. Il est également l’un des pionniers de la gravité quantique à boucles et a beaucoup travaillé sur les implications cosmologiques de cette théorie.

Carlo Rovelli et Lee Smolin ont ensuite développé la théorie des boucles de spin, utilisée au sein de la LQG et qui décrit la structure de l’espace-temps à petite échelle à l’aide des « réseaux de spin ».

Martin Bojowald: Physicien allemand. Il a appliqué la gravité quantique à boucles à la cosmologie et a étudié les implications de cette théorie pour la compréhension de l’univers primordial.

Aurélien Barrau: Physicien et philosophe français. Il a notamment travaillé sur les modèles cycliques de l’univers, où le Big Bang serait remplacé par un « Big Bounce », un rebond cosmique.

Aurélien Barrau et Carlo Rovelli ont également collaboré dans l’étude d’une des prédictions de la LQG : les rayonnements issus du rebond des micro-trous noirs primordiaux (voir ci-dessous).

Δ  Succès et défis :

La LQG a connu plusieurs succès, notamment :

La résolution des singularités: Comme nous l’avons vu plus haut, la théorie offre une description de l’espace-temps au niveau de Planck qui évite les singularités au cœur des trous noirs et au point zéro du Big Bang. Ce résultat a notamment deux impacts majeurs:

• La disparition du Big Bang ?

La disparition de la singularité initiale du Big Bang conduirait donc à envisager que le Big Bang n’est peut-être pas le début absolu de l’univers mais plutôt une transition entre un univers antérieur qui a subi un effondrement gravitationnel et s’est contracté jusqu’à son volume minimum pour rebondir dans une nouvelle expansion qui a donné lieu à « notre » univers observé aujourd’hui. Cette transition est appelée « Big Bounce ». On pourrait alors imaginer un cycle d’univers successifs séparés par des Big Bounces. La théorie prévoit cependant qu’une grande partie des informations relatives au précédent univers disparaitraient dans la transition, nous masquant ainsi partiellement l’avant-Big Bounce. Mais quelques informations quantiques, ainsi que des ondes gravitationnelles, pourraient cependant transiter par le Big Bounce et nous procurer alors une certaine « vision » de l’univers précédent.

• Les étoiles de Planck

De manière équivalente, dans un trou noir toute matière qui passe l’horizon des évènements est irrémédiablement attiré vers le centre de celui-ci. D’après la LQG la densité maximale pouvant être atteinte au centre du trou noir étant bornée, l’effondrement gravitationnel d’un « trou noir stellaire » (formé à partir d’un étoile massive en fin de vie) conduirait à un objet de densité maximale (densité de Planck) appelé « étoile de Planck« , avant de rebondir dans une gigantesque explosion. Cette dernière éjecterait alors de la matière / énergie dans l’univers à l’image d’une « fontaine blanche« , ou « trou blanc« , en restituant toute l’information précédamment « cahée » dans le trou noir initial. Compte tenu de la courbure extrême de l’espace-temps dans l’étoile de Planck, le processus de désintégration du trou noir paraitrait durer plusieurs millions d’années pour un observateur externe, alors que sa vraie durée (« durée propre ») serait de l’ordre d’une milliseconde. Ce processus serait donc inobservable à notre échelle.

Pour ce qui est des « trous noirs primordiaux » de taille millimétrique, créés dans les premiers instants de l’univers, la LQG prévoit que leur explosion après rebond devrait fournir à la fois des sursauts radio (FRB: Fast Radio Bursts) et gamma qui devraient, eux, être aujourd’hui observables. Aucune trace de ces rayonnement gamma spécifiques n’a, à ce jour, été relevée, mais des FRB ont été détectés dès 2007. Cependant ces observations restent débattues dans la communauté scientifique.

(voir également la page « Les trous noirs »)

Le paradoxe de l’information résolu ?

Initialement, l’idée d’un trou noir comme un « aspirateur cosmique » qui engloutit tout sans laisser de trace posait un problème majeur : qu’advient-il de l’information contenue dans la matière qui tombe dans un trou noir ? Cela semblait violer un principe fondamental de la Mécanique Quantique selon lequel l’information ne peut pas être détruite.

La LQG suggère que l’information qui tombe dans un trou noir n’est pas complètement perdue mais serait encodée dans la configuration des boucles à la surface de l’horizon. Ainsi, l’information ne serait pas détruite mais simplement rendue inaccessible de l’extérieur.

La structure granulaire de l’espace-temps est décrite de façon fine par la LQG. Cependant l’analyse des rayons gamma issus de sursauts gamma lointains questionne cette structuration. En effet ces photons très énergétiques devraient être modifiés (longueur d’onde, polarité) par ces innombrables graines d’espace-temps qu’ils traversent au cours de leur long parcours. Or cette prédiction de la LQG n’est à ce jour pas encore confirmée par l’observation.

  Δ Perspectives :

La validation expérimentale de la LQG pose des défis considérables:

– d’une part parce que les effets prédits par la gravité quantique à boucles se produisent à l’échelle de Planck, soit environ 10^-35 mètres. Et atteindre une telle échelle avec nos instruments actuels semble tout simplement impossible.

– d’autre part parce que la théorie ne prédit pas directement des observables que l’on puisse mesurer en laboratoire. Elle décrit plutôt une structure fondamentale de l’espace-temps à une échelle où nos intuitions classiques ne s’appliquent plus.

Malgré ces difficultés, les chercheurs explorent plusieurs pistes pour tenter de valider ou d’infirmer la gravité quantique à boucles. On peut mentionner trois exemples:

• Cosmologie: En étudiant les premiers instants de l’univers, notamment à-travers l’analyse du fond diffus cosmologique (CMB), on pourrait trouver des traces de la structure quantique de l’espace-temps prédite par la théorie. Abhay Ashtekar et Aurélien Barrau ont par exemple réalisé des analyse prometteuses des fluctuations de cette première « image » de l’univers. La théorie pourrait ainsi expliquer certains aspects de l’inflation cosmique ou de la matière noire.
• Structure de l’espace-temps: L’idée serait de mettre en évidence les quanta d’espace-temps à l’aide de rayons extrêmement énergétiques. Ce type d’instrument n’est pas disponible sur Terre, mais des rayons de ce niveau d’énergie sont générés dans l’univers par des évènements énergétiques cataclysmiques comme les sursauts gamma provenant de l’effondrement d’étoiles massives en trous noirs ou de la fusion d’étoiles à neutrons.
• Phénomènes quantiques à grande échelle: Certains chercheurs explorent la possibilité que des effets quantiques de la gravitation puissent se manifester à des échelles plus grandes. Citons deux exemples:

– Les fluctuations quantiques du vide: Le vide quantique, loin d’être vide, est le siège de fluctuations incessantes (voir la page « L’énergie du vide« ). Ces fluctuations pourraient induire de minuscules variations dans les constantes fondamentales de la physique, ou créer des champs gravitationnels fluctuants, qui pourraient à leur tour influencer le mouvement des objets célestes.

– La non-localité quantique: La Mécanique Quantique permet à des particules d’être intriquées, c’est-à-dire liées de manière instantanée, quelle que soit la distance qui les sépare. Il est possible que la gravitation quantique permette une forme de non-localité encore plus fondamentale, qui pourrait se manifester à grande échelle.