On a aussi:
LES THÉORIES:
UNE TERRA ICOGNITA A LA GRAVITATION QUANTIQUE
PLAN
1.1 L'incertitude d'Heisenberg et la création ex nihilo
1.2 Caractéristiques ondulatoires
2.1 Ce que doit être théorie telle que la G.U.T.
2.2 Aspects de la Gravitation Quantique
La Science a cela de plaisant, c'est qu'elle élève l'homme. Elle fait de ce roseau pensant, si fragile, si faible, mais si fanfaron, un être noble, le plus noble de tous les créatures vivantes. Seulement, cette science n'est pas, aujourd'hui, et tant s'en faut, complète. Pour tout dire, elle balbutie encore, ne cessant de se ramifier de tous les côtés, et, à chaque fois, créant de nouvelles énigmes auxquelles doit faire face l'esprit humain.
C'est particulièrement vraie dans le domaine de l'astrophysique, qui tente d'élaborer des théories décrivant globalement l'Univers. Actuellement, les deux grandes théories sont la Relativité et la Théorie Quantique. Seulement, elles sont incompatibles: l'une décrit des phénomènes avec une certaine exactitude à l'échelle macroscopique, et s'avère incapable de rendre compte du monde corpusculaire d'une manière satisfaisante, et l'autre décrit des phénomènes précis à l'échelle microscopique, mais conduit à des aberrations à grande échelle.
Les scientifiques tentent donc de concilier ces deux théories en une plus globale encore, qui serait baptisée la G.U.T (Grand Unified Theory), ou Grande Théorie Unifiée. Celle-ci, bien sûr, pose un certain nombre de problèmes à résoudre, ce lesquels nous reviendrons sans doute. Au par avance, nous considérerons la théorie quantique, afin d'en dégager le grand axe, puis les conséquences de celui-ci au regard des théories.
1.1. L'incertitude d'Heisenberg, et la création ex nihilo
Cette théorie postule par un principe d'incertitude qu'on ne peut connaître précisément à la fois la vitesse et la position d'une particule, ou bien sa durée de vie et son énergie. On donne ce principe, énoncé par Heisenberg:
D x D v S h / 2 p.
Où: D x est l'incertitude quant à la position,
D v, l'incertitude quant à la vitesse,
h la constante de Planck. La valeur h / 2 p se note aussi « h barre », et a pour signe:
On a aussi:
D E D t S h / 2 p
D E 'incertitude sur l'énergie d'une particule, et D t l'incertitude sur sa durée de vie.
De ce principe, un point important ressort, en corrélation directe avec un autre. D'une part, puisqu'on ne tendra jamais vers l'exactitude quant à la position d'une particule sans augmenter à l'infini l'ignorance sur sa vitesse, il est d'ores et déjà à convenir que l'observation d'une particule pour connaître une quelconque de ses coordonnées altérera à jamais la possibilité de savoir une seule de ses nombreuses autres. Aussi n'est-on qu'incertain sur le monde microscopique. On rend ce phénomène par cette phrase: « L'observation altère la réalité ». Car mesurer, c'est déjà avoir confiance en l'unité de mesure, en les conditions optimales de l'expérience, en la qualité de son évolution et à l'interprétation finale. Sans compter que pour réaliser l'observation, on perturbe les données initiales: en éclairant, par exemple, un atome d'un faisceau de photons (sinon, comment voir?), on produit une interférence, une perturbation: les photons vont rencontrer les électrons, les neutrons et les protons de l'atome et leur transmettre leur quantité de mouvement, leur énergie cinétique, etc., faussant complètement la mesure.
Ceci constitue une facette de l'interprétation de Copenhague. Un autre point réside dans l'absurdité que crée un tel principe d'incertitude. Puisque l'énergie d'une particule est d'autant plus incertaine que sa durée de vie est précise, par exemple courte, il arrive un moment où le principe de conservation de l'énergie formellement en vigueur dans le monde macroscopique peut être transgressé de manière à former des particules virtuelles. La définition de ce genre de particule est qu'elles surgissent par le gré d'une fluctuation quantique au-delà de l'horizon d'un trou noir (sa frontière) et qu'elles possèdent, ensemble, une énergie exactement nulle. Seulement, dans cet ensemble de particules, l'une a une énergie positive, l'autre une énergie négative. Elles sont sensées surgirent, se chercher et s'annihiler. Ainsi, l'état initial reste inchangé: on a toujours, pour l'Univers, une énergie nulle. Mais il arrive que la particule d'énergie négative puisse ne pas s'annihiler avec l'autre particule, et voilà la création d'une particule ex nihilo.
Puisque celle-ci a une énergie, donc une masse, on peut conclure que le trou noir a perdu cette même masse (la particule virtuelle d'énergie a de ce fait une masse négative: E = M. c², ou plus précisément E² = M². c 4 + p². c² ), et que la particule a des réserves pour lutter contre l'attraction gravitationnelle exercée. C'est ainsi qu'on a pu émettre l'idée qu'une particule pouvait se dégager d'un trou noir.
Stephen Hawking a travaillé cet aspect des trous noirs, et la conclusion
en est qu'un trou noir s'évapore de la sorte: il perd sa masse en émettant,
puis explose. Si cela défie l'entendement (et la définition même
d'un trou noir, à supposer que cela existe bien), il faut toutefois rappeler
que le vide que l'on suppose à l'horizon d'un trou noir n'est pas vide
comme on peut se l'imaginer. Le rien n'est pas sensé exister: un point
vide de l'univers signifie que l'on connaît précisément
à la fois les champs qui sont (zéro) et leur variation (nulle),
ce qui est interdit par l'incertitude d'Heisenberg. Donc, l'énergie y
est infinie, mais de manière virtuelle, et elle est infinie aussi bien
en énergie négative qu'en énergie positive. Plus précisément,
il y a là une infinité de particules virtuelles (ou couple particules
/ antiparticules). Ceci ne veut dire autre chose que du vide peut surgir un
univers entier sans que le principe d'entropie (tout va en se simplifiant, par
la désorganisation, 2ème loi de la thermodynamique) soi transgressé!
En effet, tout ce qui existe dans l'univers a exactement une énergie
nulle, depuis l'atome neutre par l'équilibre des charges entre les protons
et les électrons jusqu'aux étoiles formées de ces atomes,
en passant par les particules virtuelles.
1.2. Caractéristiques ondulatoires
La mécanique quantique postule également qu'à toute particule est associée une onde. En fait, c'est de la théorie des quanta de Mac Planck qu'est née cette théorie quantique, au début du XX°s. On a appris alors que l'énergie d'une particule, outre qu'elle correspondait au produit de la masse par le carré de la vitesse de la lumière, pouvait également s'écrire:
E = h n
Où v correspond à la fréquence.
Il ne s'agissait plus de l'énergie massique, mais de l'énergie corpusculo-ondulatoire, soit que notre conception des particules avait sérieusement à être revue. Depuis l'énonciation de cette complémentarité, tout n'a fait qu'aller en se compliquant: il faut pour certains cas tenir compte des caractéristiques des particules, et parfois des caractéristiques ondulatoires. Parfois aussi des deux en même temps!
C'est donc le flou le plus total qui règne dans le monde quantique. Ce qui ne simplifie pas non plus les choses, c'est que les particules du monde microscopique n'obéissent pas à notre vision de l'écoulement du temps: elle ne vont pas du présent au passé, et le présent ne résulte pas du passé: en fait, les particules empruntent toutes les trajectoires temporelles possibles dont aujourd'hui on sait calculer la «probabilité de probabilité » (intégrale des chemins de Feynmann): une trajectoire peut être appréhendée par des soupçons: il y a des chances pour que la particule passe par ici et pas par là, ou vice versa, mais, bien entendu, on ne peut jurer de rien. De fait, il faut émettre des réserves, et attendre plus de la théorie quantique, notamment quant à ses réactions face à la gravitation (c'est-à-dire sa compatibilité avec la Relativité Générale).
2.1. Ce que doit être une théorie telle que la G.U.T
Une définition préalable s'impose. On peut donner celle-ci: « Toute théorie physique est toujours provisoire: vous ne pourrez jamais la prouver, lit-on dans Une brève histoire du temps de S. Hawking. Une bonne théorie se caractérise par le fait qu'elle fait un certain nombre de prédictions qui pourraient en principe être réfutées ou rendues fausses par l'observation. » Ainsi, « chaque fois que de nouvelles expériences viendront corroborer les prédictions, la théorie sera confortée, et notre confiance en elle s'accroîtra ». Mais il y a un détail important: « l'ultime but de la science st de fournir une théorie unique qui décrive l'Univers dans son ensemble ».
2.2. Aspects de la Gravitation Quantique
Or, nous n'y sommes pas, et, comme cela représente trop d'un seul coup, on scinde les branches, les domaines, les prédilections. A notre époque, on décrit l'Univers, comme je l'ai tantôt signalé, d'après deux théories: la relativité Générale (pour les structures à grande échelle de l'univers impliquant la gravitation) et la Mécanique Quantique (pour les structures à très petite échelle obéissant à un flou quantique impliquant l'incertitude). Or - et, hélas! - ces deux théories sont incompatibles, ce qui signifie qu'il n'y a pas, dans une circonstance particulière, de vérité pour chacune d'elle. Faudrait-il un principe de complémentarité?
En physique théorique, on préfère unifier les deux théories, ou plutôt on préférerait. L'enfant à naître des deux théories serait appelé Gravitation Quantique, ou Théorie quantique de la gravitation. Sans viser à l'exhaustif, disons que cette théorie aurait pour but de donner l'originie très primitive de l'univers. Elle intégrerait par ailleurs l'intégrale des chemins de Feynmann. Son réel but serait de connaître l'état de l'univers à un moment précis, et de là, à partir des lois de la physique, d'établir et de prévoir son ultime destin. Dans cette théorie de grande unification, tout n'est question que de force: à l'origine, lorsque l'univers n'était qu'une singularité, que les températures y frôlaient l'infini, ainsi que les densités, n'y avait-il pas qu'une seule force?
Au lieu de l'interaction forte, faible, électromagnétique et gravitationnelle, n'y avait-il pas, au point infiniment petit, une seule interaction? Par exemple la gravité? A de si petites échelles et de si hautes températures, il pourrait en effet être possible qu'une force ou interaction puisse être seule, et qu'à plus basse température (à l'exemple d'une bille qui tourne dans une roue où 52 possibilités l'attendent) cette force se présente sous différents aspects d'après les températures et les échelles où elle est confinée (la bille se place dans une des 52 cases lorsqu'elle n'est plus entraînée par la force centrifuge).
De là, tout ne serait que gravité par définition, avec différents visages selon les conditions. Cela a le mérite d'être simple et attrayant, tout étant possible, car rappelons que, grâce aux accélérateurs de particules modernes, plusieurs interactions ont déjà été reliées entre elles.
Mais l'idée est confrontée à de sérieux problèmes: à titre d'indication, la mécanique classique, fondée sur la Relativité (cf. Observations et confirmations), prévoit l'agissement des « matières particule », autrement dit de corpuscule à énergie positive (et donc, de masse positive). Or, en autres, la Mécanique Quantique prouve par « fluctuation quantique » la possibilité d'avoir aussi bien de l'énergie et de la masse ou positive, ou négative. Certains physiciens donnent comme explication à cette apparente contradiction: de toute évidence, au-delà de 10e-33cm, la gravitation redevient dominante. Le conflit s'arrêterait donc, et la réalité macroscopique aurait ainsi une liaison logique avec le flou quantique microscopique.
Hélas, les énergies requises par les accélérateurs de particules pour sonder à cette échelle dépasse pour l'instant, et de loin, nos maigres possibilités. Il faut donc s'apitoyer à ne voir le concept de gravitation quantique - et probablement difficilement - qu'en théorie mathématique, qu'une observation en viendra d'ailleurs jamais conforter.
Mécanique Quantique: site Internet. (Nombreuses illustrations et animations)
MAJ 13/02/03