La gravité quantique à boucles

Bonjour à tous !

Aujourd'hui, on va parler du plus grand mystère de la physique fondamentale,

celui qui empêche des milliers de chercheurs de dormir.

Ce qu'on appelle prétentieusement

"la théorie du tout".

La théorie du tout, c'est supposément la réunion de l'infiniment grand

et de l'infiniment petit,

l'unification de la théorie de la relativité générale avec la mécanique quantique.

D'ailleurs, on appelle ça plus simplement "le problème de la gravité quantique".

Alors il y a une approche très connue à ce problème, c'est la théorie des cordes.

(J'ai déjà eu l'occasion de faire une vidéo sur ce sujet.)

Mais aujourd'hui, je voudrais vous parler de l'autre théorie,

celle qui est moins connue que la théorie des cordes mais qui, personnellement, a ma préférence :

la gravité quantique à boucles.

*jingle très funky*

Le problème de la gravité quantique,

c'est celui de l'unification de deux théories

qui dans la première moitié du XXe siècle

ont complètement bouleversé notre vision du monde.

La première de ces théories, c'est la relativité générale,

le chef-d'oeuvre d'Albert Einstein,

et c'est une théorie de la force de gravité.

Avant Einstein, on avait déjà une théorie de la force de gravité, celle de Newton,

qui était là depuis presque 250 ans.

Et c'est celle qu'on apprend à l'école,

"deux corps massifs s'attirent parce qu'il y existe une force entre les deux"

et Newton nous donne même la formule qui permet de calculer cette force.

La théorie de Newton, elle est fabuleuse,

elle marche fantastiquement bien depuis plus de 3 siècles maintenant.

C'est celle qui permet de comprendre à la fois la chute des corps,

mais aussi le mouvement des planètes.

Je sais pas si vous réalisez le tour de force que ça représente pour l'époque.

Newton comprend que ce qui fait tomber une pomme vers le sol

et ce qui explique le mouvement d'une planète autour du soleil,

c'est la même chose.

(Un truc de dingue !)

Il y a une citation de Paul Valéry que j'aime beaucoup et qui résume bien ça :

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__

Bref, la théorie de Newton ça marche hyper bien.

Et là, Einstein arrive et propose de la remplacer

par quelque chose de conceptuellement complètement différent.

Pour Einstein, si les corps s'attirent, c'est pas parce qu'il existe une force invisible entre eux,

mais parce qu'ils déforment l'espace-temps.

L'image classique, c'est celle d'un drap tendu sur lequel on poserait des objets.

Et c'est la courbure de l'espace-temps qui modifie la trajectoire des corps massifs

et provoque leur attraction.

Il y a une chose qu'il faut bien avoir en tête :

Ll théorie d'Einstein, mathématiquement, elle est très différente de celle de Newton,

mais ses résultats, ses prédictions physiques, sont essentiellement les mêmes.

Bah oui encore heureux, on l'a dit la théorie de Newton marche extrêmement bien,

donc la théorie d'Einstein elle a quand même plutôt intérêt à donner les mêmes résultats.

Si vous vous amusez à calculer la chute d'une pomme ou la trajectoire de la Lune autour de la Terre,

avec la théorie de la relativité générale, vous allez trouver la même chose qu'avec la théorie de Newton.

Sauf...

Sauf quand le champ gravitationnel devient vraiment intense.

Par exemple Mercure, qui est beaucoup plus proche du Soleil que la Terre,

elle est dans un champ de gravité plus intense.

Et là, le calcul de sa trajectoire par Newton et par Einstein donnent des résultats légèrement différents.

Et c'est le calcul d'Einstein qui colle avec les observations.

C'est à dire que la théorie de la relativité générale, elle améliore la théorie de Newton

en particulier pour les champs gravitationnels intenses.

Et elle va même jusqu'à prédire l'existence d'objets qui n'existaient pas dans la théorie de Newton comme par exemple les trous noirs.

Des régions de l'espace-temps d'où rien ne peut s'échapper, même pas la lumière.

Et puis bien sûr, une des prédictions les plus spectaculaires de la théorie de la relativité générale,

c'est le Big Bang.

La théorie du Big Bang, elle découle de l'application des équations d'Einstein

à l'univers tout entier.

Et elle nous prédit que l'univers n'est pas une sorte d'arène statique,

mais peut être quelque chose qui est en train de se dilater ou de se contracter.

Et c'est ce qui a été observé pour la première fois par Edwin Hubble dans les années 20,

et puis par plein d'autres gens après lui :

toutes les galaxies de l'univers s'éloignent les unes des autres.

Un peu comme un drap élastique sur lequel on serait en train de tirer de tous les côtés.

Si on utilise les équations de la cosmologie pour remonter dans le passé de l'univers,

on voit que plus on remonte dans le temps,

plus l'univers était contracté, dense et chaud.

Jusqu'à il y a 13,8 milliards d'années,

où d'après les équations,

l'univers était un point infiniment dense.

(Un peu comme si il était né à ce moment-là.)

C'est un peu bizarre comme conclusion, nan?

Et on va voir dans la suite ce qu'il faut en penser.

*jingle très funky*

L'autre immense révolution du début du 20ème siècle, c'est la mécanique quantique.

La mécanique quantique, c'est un peu le contraire de la relativité générale,

c'est une théorie de l'infiniment petit.

C'est celle qui permet de comprendre comment se comporte la matière au niveau des molécules, des atomes,

et puis, plus petits : des protons, des neutrons et toutes les particules élémentaires.

Si on doit la relativité générale presque exclusivement à Einstein,

la mécanique quantique, elle, est vraiment le fruit d'un effort collectif,

d'une série de génies qui ont travaillé entre 1900 et 1930.

Vous voyez ici la mythique photo du Congrès Solvay de 1927.

Tous les fondateurs de la mécanique quantique sont là,

et sur les vingt-neuf personnes présentes,

dix-sept ont eu le prix Nobel.

Alors il n'y a qu'une seule femme dans l'assemblée, c'est Marie Curie, mais enfin elle, elle l'a eu deux fois.