Gravitation quantique

[invitef899d4a9]

J’aimerais avoir un petit échange sur le graal de la physique actuelle : la recherche d’une théorie unifiée des 4 forces fondamentales de l’univers.

Comment peut on expliquer que les physiciens s’acharnent encore et encore dans la voie d’une théorie quantique des champs intégrant la gravitation alors que visiblement ces pistes ont du mal à aboutir ?

Il y a deux faits qui m’interpellent :
* la gravitation est environ 10 exposant 42 fois plus faible que les 3 autres forces.
* en relativité générale la force de gravitation peut être remplacée par un espace temps déformé par l’existence de masses. Nul besoin du concept de force dans cette description.

A partir de là je ne peux m’empêcher de penser que la gravitation doit avoir un statut complètement à part.

Qu’en pensez vous ?

Nota : pour ceux qui ont besoin de se remettre en mémoire les fondamentaux concernant les 4 forces fondamentales et les théories d’unification je recommande le lien suivant :
http://www.cerimes.education.fr/e_do...s/mtheorie.htm

Adrien
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[invite8ef897e4]

BONJOUR

Qu’en pensez vous ?

Je trouve que l'affirmation qu'une "théorie quantique des champs intégrant la gravitation" presente "visiblement du mal a aboutir" n'est pas justifiee. Quel est le probleme ? Pour ma part je ne vois pas de probleme, j'ai ici le cours de Feynman ou il me demontre que l'on retrouve la gravitation d'Einstein en supposant l'echange d'un boson sans masse de spin 2. Alors ? Ou sont ces problemes tellement "visibles" !?

[Karibou Blanc]

Comment peut on expliquer que les physiciens s’acharnent encore et encore dans la voie d’une théorie quantique des champs intégrant la gravitation alors que visiblement ces pistes ont du mal à aboutir ?

Malgré les succes limités de l'approche TQC de la gravitation, on n'a pas encore toutes les réponses à nos questions, et en ce sens on n'a pas encore abouti. Mais de la à présenter ca comme une perte de temps, c'est un peu trop inapproprié. Je rappelle néanmoins qu'il est tout à fait possible de quantifier la gravitation à basse énergie dans le cadre d'une TQC. C'est pas rien tout de meme.

Tu pourrais dans la meme démarche dire qu'il parait inutile s'acharner à décrire la physique des noyaux en termes de TQC parce que ca fait des années qu'on essaie sans completement réussir. Et si tu le faisais tu ne ferais que démontrer encore plus que tu juges sans connaitre toutes ces théories, parce qu'elles ne sont pas ce par quoi tu les présentes...

la gravitation est environ 10 exposant 42 fois plus faible que les 3 autres forces.

Certes c'est intriguant mais il existe des modèles qui expliquent cette différence énorme, notamment les modèles avec une dimension d'espace supplémentaire : http://arxiv.org/abs/hep-ph/9905221 dans lesquels la différence entre G_newton et G_fermi s'explique par un effet de redshift gravitationnel le long d'une dimension supplémentaire. Tout ceci est très sérieux et près à être testé aux prochaines expériences du LHC.

en relativité générale la force de gravitation peut être remplacée par un espace temps déformé par l’existence de masses

Certes, mais dans une approche purement géométrique, il est beaucoup ardu d'entamer une procédure de quantification de la gravitation. Alors que c'est immédiat en TQC. Voila pourquoi malgré les obstacles on continue dans cette voie.

A partir de là je ne peux m’empêcher de penser que la gravitation doit avoir un statut complètement à part.

C'est indéniable, mais remarquer cela ne suffit pas. Pour avancer, il faut s'acharner c'est pourquoi de nombreux physiciens le font.

[invite8ef897e4]

Certes, mais dans une approche purement géométrique, il est beaucoup ardu d'entamer une procédure de quantification de la gravitation. Alors que c'est immédiat en TQC. Voila pourquoi malgré les obstacles on continue dans cette voie.

J'ai realise apres coup que ma reponse etait fortement incomplete.

Recapitulons : nous avons une theorie de la gravitation et une de l'electromagnetisme en termes de fources. Einstein arrive et montre qu'il existe un formalisme geometrique pour la gravitation dans lequel le concept de force a disparu. La premiere chose a faire, c'est d'essayer de trouver un formalisme geometrique pour l'electromagnetisme !

Alors, a la question "pourquoi la gravitation quantique echoue-t-elle ?", je crois que la premiere reponse ne devrait pas etre "dans quelle mesure echoue-t-elle ?" mais plutot "pourquoi n'a-t-on pas un formalisme geometrique pour les theories quantiques de jauge ?".

Et peut etre aura-t-on bientot un consensus sur la pertinence d'un tel formalisme geometrique pour toutes les interactions.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Karibou Blanc]

La premiere chose a faire, c'est d'essayer de trouver un formalisme geometrique pour l'electromagnetisme !

Ce sont les vieilles idées de Kaluza et Klein On pourrait penser qu'il est possible d'étendre cette idée à toutes les interactions, en considérant un espace-temps avec 11 dimensions (c'est le minimum nécessaire pour que l'espace compacte contienne le groupe de jauge du modèle standard comme groupe d'isométrie). On aurait ainsi toutes les interactions connues formulées dans une approche géométrique. Hélas Witten démontra dans les années 80 qu'il était extrêmement difficile de construire une théorie réaliste de ce type : http://www.sciencedirect.com/science...99be5935a4474e
notamment à cause de l'existence de fermions chiraux.

[invite8ef897e4]

Ce sont les vieilles idées de Kaluza et Klein On pourrait penser qu'il est possible d'étendre cette idée à toutes les interactions, en considérant un espace-temps avec 11 dimensions (c'est le minimum nécessaire pour que l'espace compacte contienne le groupe de jauge du modèle standard comme groupe d'isométrie). On aurait ainsi toutes les interactions connues formulées dans une approche géométrique. Hélas Witten démontra dans les années 80 qu'il était extrêmement difficile de construire une théorie réaliste de ce type : http://www.sciencedirect.com/science...99be5935a4474e
notamment à cause de l'existence de fermions chiraux.

Oui, je voulais signaler que c'est l'approche historique d'une part. Et d'autre part, je pensais a l'approche geometrique de Connes. Cette precision mise a part, je suis completement d'accord avec toi

[Karibou Blanc]

Et d'autre part, je pensais a l'approche geometrique de Connes.

Ah, certes. La géométrisation des interactions via un espace-temps non-commutatif. J'avoue que quand il était venu au cern faire son talk, j'avais pas compris grand chose Par contre ce dont je me rappelle c'est qu'il n'arrive à dériver que le modele standard (avec quelques prédictions pour les masses et les mélanges des neutrinos) couplé faiblement à la gravité. Il y a bien une unification au sens géométrique, selon lui. Mais je ne me rappelle pas des propriétés de finitude ultra-violette pour la gravité dans cette théorie : http://arxiv.org/abs/hep-th/0610241

[Deedee81]

Salut,

Je voudrais ajouter qu'on a peu-être tort de s'acharner dans les directions actuelles. Mais, à part les difficultés théoriques, comment le savoir ? Tant qu'on n'a pas de validation ou falsification expérimentale (ou une inconsistance nette), on n'a pas trop le choix. Et ce n'est pas une raison pour se lamenter et cesser toute recherche. Faut pas faire comme celui qui cherche ses clefs et qui abandonne après cinq minutes parce qu'il ne les a pas trouvé là où il s'y attendait.

On peut aussi explorer d'autres voies (ce qu'on fait d'ailleurs) mais elles ne sont pas nécessairement plus facile (la TQC et la LQG sont les approches les plus abouties et ce n'est pas pour rien). Les difficultés intrinsèques à la gravité quantique sont patentes et indépendante de l'approche.

Maintenant, si une nouvelle idée survient (en plus des dizaines existantes, en plus de celles citées par humanino et Karibou, il y a un tas de modèles sur réseaux, les twisteurs, des champs avec des groupes quantiques/déformés, et encore plein de truc auquel je ne pense même pas), pourquoi ne pas l'explorer ? Mais encore faut-il avoir cette idée.... et surtout être capable de la formaliser et la relier à la physique (des idées je peux en pondre des centaines, mais sans formalisation ce n'est que du vent dans les branches).

[invitef899d4a9]

Hello,

Je suis ravi des échanges qu’a suscité mon 1er message et je tiens à remercier karibou blanc, Deedee81 et humanino de leurs réponses.

Je perçois néanmoins chez certains une pointe d’agacement par rapport à ma question.

Je précise donc à toutes fins utiles que j’admire totalement les physiciens qui travaillent sur ces sujets incroyablement difficiles. Ayant moi même soutenu une thèse en physique théorique dans les années 80 je crois être en mesure d’apprécier ces difficultés.

Je reconnais que mon questionnement portait d’abord, sans la nommer, sur la théorie des cordes qui est la voie principale de recherche dans ce domaine. Or on sait qu’en ce moment il y a des interrogations sur la pertinence de l’engouement pour cette théorie (cf. Lee Smolin dans « The Trouble with physics », Peter Woit dans « Not even wrong », ou même Roger Penrose dans « A la découverte des lois de l’univers », pour ne citer que des ouvrages de vulgarisation). Mais n'étant pas un spécialiste du sujet je n'en dirai pas plus.

J'ai ici le cours de Feynman ou il me demontre que l'on retrouve la gravitation d'Einstein en supposant l'echange d'un boson sans masse de spin 2. Alors ?

Est-ce que cette démonstration est réellement la preuve que ce boson existe ? Je n’en suis pas certain. Je rappelle l’exemple de la théorie de Kaluza Klein qui "démontre" que dans un espace à 5 dimension on peut unifier la gravitation et l’électromagnétisme. Pourtant cette théorie s’est avérée fausse quand on a essayé de la développer plus en avant.

Il existe des modèles qui expliquent cette différence énorme, notamment les modèles avec une dimension d'espace supplémentaire : http://arxiv.org/abs/hep-ph/9905221 dans lesquels la différence entre G_newton et G_fermi s'explique par un effet de redshift gravitationnel le long d'une dimension supplémentaire. Tout ceci est très sérieux et près à être testé aux prochaines expériences du LHC.

Je ne connaissais pas cette explication. Vu qu'on parle de dimension supplémentaire je suppose qu'elle s'inscrit dans la théorie des cordes. En tout cas si le LHC permet une découverte dans ce domaine ce serait bien sûr une avancée extraordinaire.

Alors attendons de voir.

[Karibou Blanc]

Est-ce que cette démonstration est réellement la preuve que ce boson existe ?

non, mais cela montre en revanche qu'une quantification dans le cadre d'une théorie des champs de la relativité générale implique que le graviton (le quantum) soit un boson de spin 2. Ca parait presque évident en regardant la métrique qui est un tenseur d'ordre 2, cad un produit tensoriel de deux vecteur de spin 1 donc. Bref 1+1=2 , mais ce n'est quand meme pas rien de l'avoir montré !

Pourtant cette théorie s’est avérée fausse quand on a essayé de la développer plus en avant.

Certes l'idée originale de KK implique que toute particule chargée ait une masse égale à un multiple de celle de Planck. Adieu l'électron !

Vu qu'on parle de dimension supplémentaire je suppose qu'elle s'inscrit dans la théorie des cordes

Pas du tout ! C'est quelquechose d'assez important à se rappeler : des dimensions supplémentaires peuvent exister sans qu'il s'agisse d'une théorie des cordes. La théorie en question que je citais est simplement une théorie des champs (donc excitations, ie particules, ponctuelles) dans un espace-temps à 5d.

En tout cas si le LHC permet une découverte dans ce domaine ce serait bien sûr une avancée extraordinaire.

Oui c'est déjà suffisament incroyable de pouvoir se convaincre de la possibilité d'existence d'une dimension supplémentaire, ca l'est encore plus quand en faisant les calculs en détails on se rend compte que c'est observable ! Alors l'observation en question, j'en parle meme pas !!