Vingt grandes interrogations de la Physique : ce que nous savons… que nous ne savons pas !!!

Vingt grandes interrogations de la Physique : ce que nous savons… que nous ne savons pas !!!

Avertissement : les questions posées ici ont parfois été jalonnées par des hypothèses et, dans certains cas quelques pistes intéressantes, mais dans aucun cas on ne peut dire que l’on ait de solution satisfaisante, et même souvent il n’y a pas d’hypothèse tout court ! Pourtant, ces questions sont fondamentales pour prétendre avoir une connaissance du fonctionnement naturel, des lois de la matière ! Cela ne signifie nullement que cela laisse place à toutes les élucubrations, en particulier à celles des divers mysticismes. Au contraire, les contraintes pour une théorie universelle sont énormes. Il y a un très grand nombre de faits et de théories qui doivent être vérifiés par une telle théorie et aucun candidat théorique, aucune hypothèse scientifique ni antiscientifique, n’est en état de prétendre y être arrivé. Cela ne laisse aucunement de place supplémentaire aux antisciences, aux mysticismes, aux agnosticismes, aux positivismes, aux antimatérialismes, aux dualismes, aux idéalismes, aux spiritismes, aux animismes, qui ne proviennent nullement des crises de la physique mais dont le retour provient de la crise économique, sociale et politique de la domination capitaliste sur le monde. Ce n’est pas ce monde en crise, autant idéologique qu’économique qui va être capable de développer la nouvelle compréhension du monde qui serait indispensable. Il y aurait de quoi étudier et explorer, il y aurait de quoi faire preuve d’imagination et de créativité, mais la recherche actuelle, aux mains du grand capital en déshérence, s’en détourne et ne s’intéresse qu’au profit immédiat et se centre sur les matériaux nouveaux et sur le tout informatique.

Léon Lederman : « Si l’Univers est la réponse, quelle est la question ? »

1°) Qu’est-ce qu’une charge électrique ? Imaginez-vous que personne n’en sait rien, que personne n’a même émis une hypothèse satisfaisante pour expliquer ce que c’est !!! Pourtant, l’électricité est connue de longue date et elle est utilisée sans cesse dans le monde actuel. Eh bien, nous n’avons aucune idée sur son origine, sur sa base. Que représente la charge dans la structure d’une particule, d’un atome ? Pas l’ombre du début d’une idée sur la question !!! A vos marques, les penseurs de demain !!!

2°) Quelle est la réalité physique du temps ? Là encore, si la physique manipule sans cesse le temps dans ses équations, cela ne signifie pas que l’on soit bien avancés dans la compréhension de ce qu’est le temps, d’où il vient dans le processus fondamental de la matière. Cette fois, les avis sur la questions sont nombreux mais rien n’est tranché, rien n’est tout à fait satisfaisant dans ces multiples hypothèses !

3°) Qu’est-ce que la matière noire ? Pourquoi ne comprenons-nous pas l’origine de l’essentiel de la masse des étoiles et des espaces inter-stellaires ?

4°) Qu’est-ce que l’énergie noire ? Pourquoi ne comprenons-nous pas que l’expansion, de l’Univers, loin de se ralentir, s’accélère ?

5°) Qu’est-ce que le vide ? La quantité d’énergie du vide semble incroyable et le mécanisme des liens entre vide quantique et matière/lumière a encore bien des secrets à nous révéler ! C’est probablement là que résident l’essentiel des réponses à toutes les autres questions… Nous savons dores et déjà que le vide quantique a des propriétés étonnantes puisque le temps n’a pas de sens d’écoulement, que la matière est couplée à autant d’antimatière, que les propriétés du vide sont tout à fait différentes de celles que nous connaissons de la matière et de la lumière à notre échelle. Là encore, bien des choses restent à explorer et à… penser… Par exemple, il faut mieux connaître le lien entre le virtuel du vide et le « réel » des particules de matière et d’interaction. Il faut se demander aussi quelles sont les particularités du niveau hiérarchique inférieur au virtuel, appelé le « virtuel de virtuel » et également s’il existe des niveaux encore inférieurs ?!!! Rappelons que le virtuel est fondé sur des particules et des antiparticules couplées et éphémères (elles ne sont pas perçues directement à notre échelle). Connaître le vide quantique est essentiel pour comprendre matière, lumière et espace-temps puisque tous semblent émerger du vide par des processus qui restent à bien comprendre.

6°) Et la petite échelle est un univers inconnu. Explorer le monde et le temps, c’est aussi descendre les échelles de l’observation très en dessous de la femtoseconde. Nous ne savons pas ce qui se passe dans ces univers des temps courts et des grandes énergies ! Il semble y avoir une agitation extraordinaire à ces petites échelles (et grandes pour l’énergie) mais nous n’avons même pas d’hypothèse sur ce que nous risquons d’y trouver…

7°) Comment expliquer la valeur des masses des particules ? Rappelons qu’aucune loi découverte jusqu’à présent n’en donne une interprétation. On remarque que chaque type de particule a toujours exactement la même masse, sans aucune différence individuelle semble-t-il mais nous ignorons d’où vient cette valeur fixe. Personne n’a suggéré un mécanisme qui détermine cette valeur, même si le boson de Higgs est une proposition d’interprétation de la formation générale des masses par l’interaction avec le vide quantique, plus exactement avec un champ de ce vide. On ne sait pas s’il existe plusieurs bosons de Higgs, à plusieurs niveaux d’énergie. Qu’est-ce que la masse des particules, reste une bonne question ! Et qui n’a pas le premier début d’une réponse.

8°) En fait, ce n’est pas seulement la valeur constante des masses des particules mais toutes les constantes de la physique, dont la vingtaine des constantes fondamentales, dont l’origine est absolument inconnue ! Là encore, aucune équation ne donne la valeur de la vitesse de la lumière c, la constante de Planck h, la charge de l’électron et du proton, la constante de Boltzmann, la constante de permittivité du vide, etc. Ce sont des nombres fixes, apparemment toujours exactement identiques à eux-mêmes et aucune procédure n’a été trouvée permettant à la nature de les retrouver. On cherche aussi le lien entre ces constantes et lesquelles seraient les constantes fondamentales et lesquelles en seraient dépendantes. Combien de constantes sont les piliers de l’Univers ? Pas de réponse !

9°) Combien de dimensions pour l’Univers ? Cette fois, il y a bien trop de propositions et il est difficile de trancher ! Depuis les quatre dimensions (trois d’espace et une de temps), on trouve de multiples autres hypothèses, depuis onze dimensions jusqu’à une infinité.

10°) Et l’Univers ? On sait quelques petites choses sur lui mais si peu… Est-il fini ou infini, quelle a été son histoire, quelles sont les transitions, comment expliquer le bruit de fond cosmique, d’expansion ? Les hypothèses de l’inflation et du Big Bang sont les plus connues et admises, mais aussi très contestées. Rien n’est encore sûr… Notre univers est-il seulement l’un des multiples univers. Est-il à l’intérieur d’un trou noir ou peut-il être happé par un trou noir, quel est le rôle de ces trous noirs das la dynamique de l’Univers ? L’Univers a-t-il eu un début et aura-t-il une fin ? Comment se forment les immenses bulles de vide et quelle relation avec la formation des galaxies reliées en filaments immenses ? Bien des hypothèses là encore mais rien de bien satisfaisant… Même nos hypothèses sur la formation des étoiles et des galaxies sont encore très insuffisantes.

11°) Rappelons que la première loi mathématique découverte en physique, celle de la gravitation n’a pas encore permis de trouver un mécanisme physique permettant de l’interpréter, contrairement aux autres lois physiques (électromagnétisme, force nucléaire forte et faible). Nous ne connaissons ni onde de gravitation, ni particule de gravitation ou graviton, ni aucun autre mécanisme de formation de la force de gravitation.

12°) La vitesse de la lumière reste à interpréter complètement. Est-elle véritablement une limite absolue, d’où vient ce nombre, que signifie-t-il ? Quel lien entre cette « vitesse » et le processus de formation de la matière et de la lumière dans le vide ? Comment les particules corrélées à distance peuvent-elles échanger de l’information plus vite que la lumière ? Comment la particule qui passe une barrière de potentiel par effet tunnel peut-elle le faire plus vite que la lumière ? Comment les transformations du vide quantique peuvent-elles se propager plus vite que la lumière ? Comment les transitions quantiques peuvent-elles plus rapides que la lumière, comme c’est le cas de la réduction brutale du paquet d’ondes dès que l’on capte le corpuscule ?

13°) La question précédente et bien d autres devraient trouver leur solution dans une unification de la physique quantique et de la relativité, unification qui fait plus que tarder à se produire ! Cependant, il est certain que nombre d’échelles hiérarchiques de l’univers nécessitent cette unification et on ne peut prétendre que la relativité serait pour la grande échelle et la quantique pour la petite échelle !!! A bien des échelles, les deux agissent conjointement et concurremment mais comment ? Découvrir la relativité quantique reste un programme d’avenir…

14°) Comment se fait-il que notre univers soit matériel alors qu’il découle d’un vide quantique qui semble symétrique du fait des couples de particules virtuelles de matière et antimatière ? L’antimatière remonte-t-elle le temps ? Comment fonctionnent les couples éphémères de matière et antimatière et comment permettent-ils la formation des photons ? Comment cela permet-il d’expliquer les propriétés étonnantes des relations matière-lumière ? Comment cela explique-t-il comment la matière-lumière produit et transforme l’espace-temps ? Là, on dispose de quelques éléments de compréhension mais pas d’une théorie d’ensemble.

15°) Curieusement, c’est le noyau de notre planète, la Terre, qui nous est encore le plus inconnu ! Les hypothèses précédentes ne semblent pas suffisantes pour expliquer la quantité d’énergie qui continue à provenir du centre de notre petit monde terrestre et les phases d’accroissement exponentiel de l’émission de chaleur issue du noyau. Le lien entre l’évolution du noyau radioactif et ce qui se passe en surface (volcanisme, tectonique des plaques, tremblements de terre, climat) reste à développer.

16°) Nous ne savons pas non plus exactement à quel stade d’évolution en est le Soleil, notre étoile centrale. Les théories de son fonctionnement sont insuffisantes à expliquer notamment le nombre de neutrinos émis. A moins que ce ne soient les neutrinos que l’on comprenne mal… Où en est la dynamique du noyau solaire est une bonne question puisque notre monde à nous, humains, en dépend !

17°) L’une des contraintes qui réduisent les possibilités d’une théorie physique de l’Univers est le fait que le proton ne se décompose pas, semble-t-il, en tout cas pas dans les durées envisagées, le fait que, contrairement ce qu’envisageaient toutes les théories, les neutrinos semblent avoir une masse. En fait, on ne sait même pas si le photon a une masse nulle ou très faible !

18°) Quel est le mécanisme physique qui permet de passer de l’inerte au vivant est une question toujours en suspens et nous ne savons pas non plus s’il serait possible à l’homme un beau jour (où un jour affreux !) de produire de la vie à partir de matière inerte, ce qui n’a jamais été fait jusqu’à présent.

19°) Le saut de l’univers quantique à l’univers macroscopique par la décohérence est un début d’interprétation des sauts de l’émergence causée par un grand nombre d’interactions. Mais bien d’autres sauts de ce type restent incompris. La théorie de l’émergence de structures, de paramètres et de lois reste à inventer.

20°) Un problème de la physique est plus lié à des questions d’ordre philosophique : existe-t-il un niveau hiérarchique de base dans lequel les phénomènes soient entièrement déterministes, existe-t-il un nombre fini ou infini de niveaux, comment sont-ils imbriqués, y a-t-il des origines et des fins ou des mécanismes d’émergence qui pilotent l’Univers ? La causalité, le déterminisme, le hasard, la discontinuité, l’entropie, l’ordre, la dialectique du monde posent de multiples problèmes, autant philosophiques que physiques, même si nombre de physiciens ont cru disjoindre définitivement les deux…

Le point de vue de Sheldon Glashow, dans « Le charme de la Physique » :

« La seule question qui m’ait toujours fasciné, qui a occupé l’esprit d’une génération de savants… c’est, suivant l’inimitable manière des scientifiques : « Qu’est-ce que tout ça veut dire ? »….Les questions les plus difficiles restent posées. Comment les étoiles se groupent-elles en galaxies, elles-mêmes rassemblées en amas et même en amas d’amas, le tout entourant d’immenses sphères de vide réparties comme des bulles de savon au fond d’un évier ? Nous ne savons pas ce qui constitue la véritable matière de l’univers, car les étoiles, la poussière et les nuages de gaz ne suffisent pas à rendre compte à eux seuls de sa masse. L’essentiel de la matière est invisible à nos yeux même si nous en connaissons les effets gravitationnels… Nous ne savons pas pourquoi les particules existent, pourquoi elles ont une masse donnée, ni pourquoi elles sont soumises à certaines forces. Notre modèle standard est honnête : il nous dit que, dans ce contexte, il n’existe pas de réponse. Plus encore, notre « théorie de complète unification » n’est ni complète (la durée de vie du proton est fausse), ni unifiée (la gravitation est laissée de côté), ni même vraiment une théorie (elle ne résout aucun des problèmes exposés plus haut). La théorie des champs quantiques, qui est issue du mariage de la mécanique et de la relativité, telle qu’elle a été définie par Dirac, Schwinger, Feynman, Tomonaga et d’autres, nous a bien servi pendant plus de quarante ans, nous aidant à établir notre modèle standard de la physique des particules. Mais elle est aujourd’hui dans une impasse : cette théorie est tout simplement incapable de décrire la gravitation, et donc d’expliquer les premiers instants de la création de l’univers. Elle ne parvient pas d’autre part à répondre à aucune des questions qui se posent aujourd’hui en physique des particules. Manifestement, il nous faut effectuer un pas de géant vers un cadre conceptuel beaucoup plus puissant. La théorie des supercordes est une tentative ambitieuse, et en vogue, de surmonter tous ces obstacles en supposant que les particules élémentaires sont en fait de minuscules boucles de corde, plutôt que des structures ponctuelles… Pour l’instant, la théorie des supercordes n’offre même pas un début de réponse à une question du type : « Qui a besoin du muon ? », mais cela n’a pas empêché toute une génération de brillants jeunes chercheurs de s’embourber dans les calculs les plus inextricables des espaces mathématiques à dix dimensions. Lors du colloque de 1989 de l’université d’été internationale de physique infranucléaire d’Erice, son fondateur et directeur Antonio Zichichi demandait à l’un des conférenciers, parmi les plus jeunes et les plus abstraits : « Existe-t-il une expérience, même imaginaire, qui pourrait permettre de prouver ce que vous avancez ? » La réponse fut négative… Nous tentons d’appréhender la naissance, l’évolution et le destin de notre Univers. Nous voulons savoir pourquoi les choses doivent être exactement ce qu’elles sont. Nous voulons dévoiler la profonde simplicité de la Nature, car il est dans la nature des physiciens des particules (et de quelques autres) d’avoir foi dans la simplicité, et de croire contre toute raison qu’en fait les lois fondamentales de la physique, de la Nature ou de la réalité sont tout à fait élémentaires et compréhensibles. »

Le point de vue de Lee Smolin, dans « Rien ne va plus en physique ! » :

« Les problèmes que les physiciens doivent résoudre aujourd’hui sont, en grande partie, des questions qui restent sans réponse, parce que la révolution scientifique du XXe siècle reste inachevée. Au cœur de notre échec à conclure la révolution scientifique actuelle se trouvent cinq problèmes, dont la solution nous échappe… Selon la théorie générale de la relativité d’Einstein, l’espace et le temps ne constituent plus un fond fixe et absolu. L’espace est aussi dynamique que la matière ; il bouge, il change de forme… Ces deux découvertes, la relativité et la quantique, nous ont, chacune, demandé de rompre définitivement avec la physique de Newton. Pourtant, malgré ce très grand progrès accompli au cours du siècle dernier, ces deux découvertes restent incomplètes. Chacune d’elles possède des faiblesses et des défauts, qui tendent à prouver l’existence d’une théorie plus fondamentale. Mais la raison la plus évidente pour laquelle chacune des deux théories est incomplète est l’existence de l’autre. Notre esprit nous incite à chercher une troisième théorie, qui unirait toute la physique, et la raison à l’origine de cette incitation est simple. Il est évident que la nature, elle, est « unifiée ». L’univers dans lequel nous nous trouvons est interconnecté, dans le sens où tout interagit avec tout le reste. Il ne peut pas y avoir de solution où nous aurions deux théories de la nature, qui décriraient des phénomènes différents, comme si l’une n’avait rien à voir avec l’autre. Toute prétendante au sacre de théorie ultime ne peut être qu’une théorie complète de la nature. Elle doit inclure l’ensemble de notre connaissance. La physique a survécu pendant longtemps sans cette théorie unifiée, parce que, en ce qui concerne l’expérience, nous avons toujours été capables de diviser le monde en deux royaumes. Dans le royaume atomique, où règne la physique quantique, on peut le plus souvent ignorer la gravité. On peut traiter l’espace et le temps comme le faisait Newton : en tant que fond invariant. L’autre royaume est celui de la gravitation et de la cosmologie. Dans ce monde, on peut souvent ignorer les phénomènes quantiques. Mais cette division ne peut être qu’une solution provisoire. La dépasser est le premier grand problème non résolu de la physique théorique…. La mécanique quantique, au moins dans la forme sous laquelle elle a été initialement proposée, n’était à l’aise avec le réalisme, parce qu’elle présupposait une partition de la nature en deux parties. D’un côté se trouve le système à observer. Nous, les observateurs, sommes de l’autre côté. De notre côté, se trouvent aussi les instruments que nous utilisons pour préparer les expériences et faire les mesures et les horloges qui enregistrent les instants où les événements ont lieu. On peut décrire la théorie quantique comme un nouveau langage dans notre dialogue avec les systèmes que nous étudions à l’aide de nos instruments. Ce langage quantique contient des verbes, qui se réfèrent à nos préparations et à nos mesures, et des noms qui se réfèrent à ce que nous observons à la suite de ces préparations. Il ne nous dit rien sur ce que serait le monde si nous en étions absents. Dès la création de la théorie quantique, un débat a fait rage entre ceux qui acceptaient cette façon de faire de la science et ceux qui la rejetaient. Beaucoup parmi les fondateurs de la physique quantique, y compris Albert Einstein, Erwin Schrödinger et Louis de Broglie, répugnaient à cette approche. C’étaient des réalistes. Quelle que soit l’efficacité de la théorie quantique, pour eux, elle est restée incomplète, parce qu’elle ne pouvait pas fournir une image de la réalité, en notre absence. De l’autre côté, se sont trouvés Niels Bohr, Werner Heisenberg et plusieurs autres. Au lieu d’en être scandalisés, ils ont accueilli à bras ouverts cette nouvelle façon de faire de la science. Depuis, les réalistes ont marqué quelques points en mettant en évidence des incohérences dans la formulation actuelle de la théorie. Certaines de ces apparentes incohérences surgissent grâce au fait que, si elle est universelle, la théorie quantique doit également s’appliquer à « nous ». Les problèmes viennent alors de la division du monde, nécessaire pour donner un sens à la théorie quantique. En particulier, une difficulté consiste à savoir où l’on met la ligne de division, celle-ci étant dépendante de celui qui fait l’observation… Toute cette thématique est connue sous le nom de « problème des fondements de la mécanique quantique ». C’est le deuxième grand problème de la physique contemporaine… Je dois avouer que je suis un réaliste. Je me place du côté d’Einstein et des autres, qui croient que la mécanique quantique est une description incomplète de la réalité. Mais alors, où devons-nous chercher ce qui manque à la mécanique quantique ? Il m’a toujours semblé clair que la solution demandera bien plus qu’une compréhension plus approfondie de la mécanique quantique elle-même… Il reste deux forces fondamentales dans la nature (dont nous connaissons l’existence) qui échappent à l’unification avec les champs électromagnétique et faible. Ce sont la gravité et les interactions nucléaires fortes (qui tiennent ensemble les particules appelées quarks et qui sont ainsi responsables de la formation des protons et des neutrons constituant le noyau atomique). Ces quatre forces peuvent-elles être unifiées ? C’est notre troisième grand problème. J’appellerai ce problème : « problème d’unification des particules et des forces », pour le distinguer de l’unification des lois dont nous avons parlé plus haut… Malgré son efficacité, le modèle standard se trouve confronté à un grand problème : il contient une longue liste de constantes à ajuster. Lorsqu’on énonce les lois de la théorie, on doit spécifier les valeurs de ces constantes. Ces valeurs pourraient être n’importe lesquelles, car la théorie reste mathématiquement cohérente quelles que soient les valeurs choisies. Celles-ci spécifient les propriétés des particules. Certaines nous fournissent les masses des quarks et des leptons, tandis que d’autres donnent les intensités des forces. Nous n’avons aucune idée de l’origine de ces nombres ; tout ce que nous avons à faire, c’est de les déterminer au début des expériences et de les insérer ensuite dans la théorie… Il existe environ vingt constantes de ce type, et la présence d’autant de paramètres libres dans ce que l’on suppose être la théorie fondamentale cause un grand embarras. Chacune de ces constantes représente un fait capital que nous ignorons : une cause ou un mécanisme physique responsable de la valeur observée de cette constante. C’est notre quatrième grand problème…. Ces dernières années, les astronomes ont réalisé une expérience très simple, au cours de laquelle ils ont mesuré la distribution des masses dans une galaxie de deux façons différentes et ont comparé les résultats. Premièrement, les astronomes ont mesuré la masse en observant les vitesses orbitales des étoiles ; deuxièmement, ils ont fait une mesure plus directe de la masse en comptant les étoiles, le gaz et la poussière qu’ils voyaient dans la galaxie… Or les deux mesures ne sont pas d’accord…. Et la divergence entre les deux valeurs est loin d’être petite, mais plutôt de l’ordre d’un facteur dix. De plus, l’erreur va toujours dans le même sens : on a toujours besoin de plus de masse pour expliquer le mouvement observé des étoiles que ce que l’on calcule par comptage direct de toutes les étoiles, du gaz et de la poussière… On appelle cette mystérieuse matière manquante « matière noire »… Puis les choses sont devenues encore plus mystérieuses. Récemment, on a découvert que selon des observations à des échelles encore plus grandes, qui correspondent à des milliards d’années-lumière, les équations de la relativité générale ne sont pas satisfaisantes même en rajoutant la matière noire. L’expansion de l’univers, démarrée avec le Big Bang il y a quelque 13,7 milliards d’années, s’accélère, tandis que, si l’on tient compte de toute la matière observée, plus la quantité calculée de la matière noire, l’univers devrait au contraire ralentir… Les mystères cosmologiques sont à la source du cinquième grand problème… L’idée qui présidait à la grande unification était non seulement de mettre ensemble toutes les forces, mais aussi d’inventer une symétrie qui pourrait transformer les quarks (particules régies par les interactions fortes) en leptons (les particules régies par les interactions électrofaibles) et, par conséquent, d’unifier deux principaux types de particules, en en faisant un seul type de particules et un seul champ de jauge. Le candidat le plus simple pour cette grande unification était connu sous le nom de symétrie SU(5)… La décomposition du quark en électrons et neutrinos a des conséquences visibles. Un proton contenant ce quark n’est plus un proton ; il se décompose en particules plus simples. Ainsi, les protons ne seraient plus des particules stables – ils seraient assujettis à une espèce de décomposition radioactive… Bien que cet effet soit extrêmement rare, il est réalisable expérimentalement, puisque le nombre de protons dans le monde est énorme… Le monde scientifique attendait les résultats avec impatience. Vingt-cinq ans plus tard, il les attend toujours. Aucun proton ne s’est décomposé. Nous avons attendu déjà assez longtemps pour nous assurer que la grande unification SU(5) est fausse. C’est une belle idée, mais une de celles que la nature n’a pas voulu réaliser… Il y a une différence énorme entre les puissances des différentes forces. La répulsion électrique entre deux protons est plus forte que leur attraction gravitationnelle par un facteur énorme, de l’ordre de dix puissance trente-huit. Il existe également de grosses différences entre les masses des particules. Par exemple, la masse de l’électron représente 1800 fois moins que la masse du proton… Pourquoi la nature est-elle à ce point hiérarchisée ? Pourquoi la différence entre le plus faible et le plus fort est-elle si grande ? Pourquoi les masses du proton et de l’électron sont-elles si minuscules comparées à la masse de Planck ou à l’échelle de l’unification ? On évoque habituellement ce problème en tant que « problème de la hiérarchie »… Le problème de la hiérarchie contient deux défis. Le premier est de trouver ce qui détermine les valeurs des constantes et ce qui fait que les rapports entre elles sont si grands. Le second est de comprendre pourquoi ces valeurs restent là où elles sont. Leur stabilité est étonnante et presque miraculeuse, puisque la mécanique quantique a une étrange tendance à tirer toutes les masses vers la masse de Planck… La leçon principale de la relativité générale est que la géométrie de l’espace n’est pas fixe. Elle évolue de façon dynamique, en se modifiant dans le temps lorsque la matière se déplace. Il existe même des ondes – les ondes gravitationnelles – qui voyagent à travers la géométrie de l’espace… Cela signifie que les lois de la nature doivent s’exprimer sous une forme qui ne présuppose pas que l’espace ait une géométrie fixe. C’est le cœur de la leçon einsteinienne. Cette forme se traduit en un principe, déjà décrit plus haut, celui d’ « indépendance par rapport au fond ». Ce principe énonce que les lois de la nature peuvent être décrites dans leur totalité sans présupposer la géométrie de l’espace… L’espace et le temps émergent de ces lois plutôt que de faire partie de la scène où se joue le spectacle. Un autre aspect de l’indépendance par rapport au fond est qu’il n’existe pas de temps privilégié. La relativité générale décrit l’histoire du monde au niveau fondamental en termes d’événements et de relations entre eux. Les relations les plus importantes concernent la causalité : un événement peut se trouver dans une chaîne causale qui mène à un autre événement. De ce point de vue, l’espace est un concept secondaire, totalement dépendant de la notion de temps. Prenons une horloge. Nous pouvons penser à tous les événements qui se déroulent simultanément lorsqu’elle sonne midi. Ce sont lesdits événements qui constituent l’espace… La question fondamentale pour la théorie quantique de la gravitation est, par conséquent, celle-ci : peut-on étendre à la théorie quantique le principe selon lequel l’espace n’a pas de géométrie fixe ? C’est-à-dire peut-on faire de la théorie quantique indépendante du fond, au moins en ce qui concerne la géométrie de l’espace ? Si la réponse est oui, on aura alors automatiquement trouvé la façon de fusionner la gravité et la théorie quantique, car celle-ci a déjà été interprétée comme étant un aspect de la géométrie dynamique de l’espace-temps… La première thèse de doctorat jamais écrite sur le problème de la gravité quantique a été, selon toute vraisemblance, la dissertation soutenue en 1935 par le physicien russe Matveï Petrovitch Bronstein. Ceux qui l’ont connu se souviennent de lui comme de l’un des physiciens soviétiques les plus brillants de sa génération. En 1936, il a écrit dans un article que « l’élimination des inconsistances logiques demande qu’on rejette nos concepts d’espace et de temps ordinaires, en les remplaçant par des concepts plus profonds et moins évidents »… Aujourd’hui, presque tous ceux qui réfléchissent sérieusement au problème de la gravité quantique sont d’accord avec Bronstein ; mais cela a pris soixante-dix ans… Un an après la publication par Bronstein de l’article que je viens de citer, il a été arrêté par le NKVD et fusillé le 18 février 1938… Le travail de Bronstein a été oublié, et la plupart des physiciens sont retournés à l’étude de la théorie quantique des champs… Deux camps se sont formés, en opposition l’un à l’autre. L’un d’eux suivit Bronstein en prenant au sérieux l’idée de l’indépendance par rapport au fond. L’autre l’a ignorée et choisit le chemin d’Heisenberg et de Pauli, en essayant d’appliquer la théorie quantique aux ondes gravitationnelles, considérées comme se déplaçant sur un fond fixe… Les approches les plus réussies, à ce jour, de la gravité quantique utilisent la combinaison de trois idées fondamentales : que l’espace-temps est « émergent », que la description la plus fondamentale est « discrète » et que cette description fait intervenir la « causalité » de façon cruciale… A ce jour, il est devenu clair qu’on ne pourra résoudre les cinq grands problèmes qu’à condition de réfléchir véritablement sur les fondements de notre compréhension de l’espace, du temps et du monde quantique, et de ne plus considérer les programmes de recherche vieux de dizaines d’années telles la théorie des cordes et la gravité quantique à boucles comme des paradigmes établis. On a besoin de jeunes chercheurs, ayant le courage, l’imagination et la profondeur conceptuelle pour initier des directions nouvelles. Comment peut-on trouver et soutenir ce type de scientifiques, au lieu de les décourager comme on l’a fait jusqu’à ce jour ? (…) Notre mission doit être de chercher les faux présupposés, de poser des questions nouvelles, de trouver des réponses nouvelles et d’être à la hauteur de la révolution… »

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