Gravitation quantique...

[invite3cc09d31]

Bonjour à tous,
d'après ce que je sais, en raison de l'expansion de l'univers les scientifiques admettent qu'il y a 13,7 milliards d'années celui-ci était de l'ordre de grandeur d'un atome. Ainsi ils cherchent une théorie quantique de la gravitation afin de comprendre le fonctionnement de l'univers à cet instant.
Mais les lois quantiques ne s'adressent elles pas qu'aux particules ? Pourquoi l'univers aurait-il répondu à ces règles ? L'infiniment grand d'aujourd'hui est l'infiniment petit d'autrefois non ? Je n'entend pas par là que l'univers d'il y a 13,7 milliards d'années était le même qu'aujourd'hui en miniature, mais j'aimerai savoir pourquoi cette gravitation quantique !

Merci d'avance!
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[Deedee81]

Salut,

d'après ce que je sais, en raison de l'expansion de l'univers les scientifiques admettent qu'il y a 13,7 milliards d'années celui-ci était de l'ordre de grandeur d'un atome. Ainsi ils cherchent une théorie quantique de la gravitation afin de comprendre le fonctionnement de l'univers à cet instant.
Mais les lois quantiques ne s'adressent elles pas qu'aux particules ? Pourquoi l'univers aurait-il répondu à ces règles ? L'infiniment grand d'aujourd'hui est l'infiniment petit d'autrefois non ? Je n'entend pas par là que l'univers d'il y a 13,7 milliards d'années était le même qu'aujourd'hui en miniature, mais j'aimerai savoir pourquoi cette gravitation quantique !

C'est une excellente interrogation et la question est parfois posée dans des articles.

En fait, la question se pose plutôt pour la gravitation (à petite échelle elle ne se comporte certainement pas comme le dit la relativité générale). Mais elle s'est déjà posée aussi pour la mécanique quantique.

A cela je donnerais trois réponses :

- Tout d'abord, non, la mécanique quantique ne s'applique pas qu'aux particules. Elles s'applique aussi à des objets macroscopiques même si les manifestations quantiques avec des systèmes de grande taille peut être assez difficile à observer (on a déjà observé des interférences quantiques entre grosses molécules et on peut considérer qu'un condensat ou un superfluide ou un supraconducteur est un système quantique d'assez grande taille).

Retrouver la mécanique classique (celle des objets macroscopiques) est aussi un travail important de la mécanique quantique qui n'a absolument rien de trivial. Outre l'habituel principe de correspondance, cela fait intervenir des outils particulièrement complexes : chimie quantique, physique statistique, décohérence,...

- Ensuite, la mécanique quantique est avant tout un cadre formel dans lequel décrire des théories. Et il y en a des tas (la mécanique quantique classique de Schrödinger, la mécanique quantique relativiste de Dirac, la théorie quantique des champs donnant elle-même des dizaines de modèles, etc.). Et mieux encore, elle permet de décrire la mécanique classique (grossièrement il suffit de considérer que toutes les variables commutent). C'est donc un cadre très vaste qu'il n'est pas nécessaire de rejeter pour dire "c'est différent à grande échelle"

- la gravité quantique s'applique justement quand les effets de la gravité ne sont plus négligeables à l'échelle des atomes, domaine ou la mécanique quantique est valide.

Pour toutes ces raisons, on cherche plutôt à adapter la gravitation à cette échelle ou à trouver un formalisme permettant de formuler les deux. Et c'est un sujet extraordinairement vaste (gravité quantique semi-classique, supergravité, gravité quantique linéarisée en théorie des champs avec lagrangien effectif, superespace et équation de Wheeler-DeWitt, théorie des cordes, gravité quantique à boucles, triangulations causales dynamiques, théories topologiques, théories conformes, théories holographiques, twisteurs,... etc... chacun nécessitant des centaines de pages sans même épuiser le sujet, et de loin).

Et le pire c'est que tout cela est encore spéculatif !!!

[invite3cc09d31]

Tout d'abord, merci pour cette réponse complète !
Dans ce cas, à la naissance de l'univers seule les lois quantique régnaient, la gravitation à grande échelle n'existait donc pas ?! Ainsi la physique classique découle de la mécanique quantique, une unification des deux est donc envisageable et envisagé depuis quelques décennies. La gravité quantique est-elle la clef de cette unification ? Je sais déjà qu'il existe une théorie électrofaible, cette gravitation à petite échelle est elle le "bout qui manque" ?

[Deedee81]

Oulà, j'ai peur de quelques confusions.

Précisions :

Dans ce cas, à la naissance de l'univers seule les lois quantique régnaient, la gravitation à grande échelle n'existait donc pas ?!

Disons plutôt que la gravitation se comportait certainement autrement de ce qu'on connait.

Ainsi la physique classique découle de la mécanique quantique

Oui.

une unification des deux est donc envisageable et envisagé depuis quelques décennies.

Olà, attention. Non.

On peut formuler la mécanique classique avec les outils mathématiques de la mécanique quantique.
On peut déduire la mécanique classique de la mécanique quantique. Plus exactement, la mécanique classique est une approximation de la mécanique quantique (lorsque l'on néglige les fluctuations quantiques en particulier).

Mais il ne s'agit pas d'unifier la mécanique classique et la mécanique quantique. Justement parce que la mécanique classique n'est qu'une approximation !!!!

Tu remarqueras que j'ai écrit "mécanique classique". En effet, physique classique a un sens parfois plus large et souvent flou (parfois on inclut la relativité dedans, parfois pas).

Quand à la relativité restreinte (les histoires liées à la vitesse de la lumière) elle se marie très bien avec la mécanique quantique.
Par contre, la relativité générale (la gravitation) elle se marie très mal à la mécanique quantique, essentiellement à cause de gros problèmes mathématiques.

On peut dire que la gravité quantique est en effet le petit bout qui manque.

Concernant les unifications, on parle surtout de l'unification des interactions, c'est-à-dire d'une théorie où ces interactions n'en sont qu'une seule et les interactions différentes en découlent dans certaines limites (à basse énergie).

- l'électricité et le magnétisme ont été unifié par Maxwell au dix-neuvième siècle
- L'électromagnétisme et l'interaction faible, tu as tout à fait raison, ont été unifiés par Glashow, Salam et Weinber. Théorie admirablement confirmée.
- La théorie électrofaible et l'interaction forte ne sont PAS unifiés. On a juste formulation des deux avec un formalisme commun (chromodynamique quantique relativiste). Les tentatives d'unification (dite Grande Unification) n'ont rien donné (elles prédisent des particules non observées). On cherche encore.
- ces interactions et la gravité ne sont pas du tout unifié.

En fait, pour être exact, on a bien des théories de gravitation quantique. Pour citer les deux plus avancées :
- la gravitation quantique à boucles offre un cadre commun à la gravité et les autres interactions dans un modèle quantique
- la théorie des cordes est une véritable théorie unifiée

Mais aucune n'est encore validée.

En fait, c'est ça le problème : on a trop de théories. On ne sait pas lesquelles sont bonnes.

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite7ce6aa19]

Par contre, la relativité générale (la gravitation) elle se marie très mal à la mécanique quantique, essentiellement à cause de gros problèmes mathématiques.
.

Bonjour,


Certes il y a des problemes mathématiques, mais cela découle du fait que la RG est une théorie géométrique ou les trajectoires ( les lignes d univers) ont un sens alors que en MQ la notion de trajectoire n 'a aucun sens.

[invite3cc09d31]

Olà, attention. Non.

On peut formuler la mécanique classique avec les outils mathématiques de la mécanique quantique.
On peut déduire la mécanique classique de la mécanique quantique. Plus exactement, la mécanique classique est une approximation de la mécanique quantique (lorsque l'on néglige les fluctuations quantiques en particulier).

Mais il ne s'agit pas d'unifier la mécanique classique et la mécanique quantique. Justement parce que la mécanique classique n'est qu'une approximation !!!!

Tu remarqueras que j'ai écrit "mécanique classique". En effet, physique classique a un sens parfois plus large et souvent flou (parfois on inclut la relativité dedans, parfois pas).

Quand à la relativité restreinte (les histoires liées à la vitesse de la lumière) elle se marie très bien avec la mécanique quantique.
Par contre, la relativité générale (la gravitation) elle se marie très mal à la mécanique quantique, essentiellement à cause de gros problèmes mathématiques.

On peut dire que la gravité quantique est en effet le petit bout qui manque.

Concernant les unifications, on parle surtout de l'unification des interactions, c'est-à-dire d'une théorie où ces interactions n'en sont qu'une seule et les interactions différentes en découlent dans certaines limites (à basse énergie).

- l'électricité et le magnétisme ont été unifié par Maxwell au dix-neuvième siècle
- L'électromagnétisme et l'interaction faible, tu as tout à fait raison, ont été unifiés par Glashow, Salam et Weinber. Théorie admirablement confirmée.
- La théorie électrofaible et l'interaction forte ne sont PAS unifiés. On a juste formulation des deux avec un formalisme commun (chromodynamique quantique relativiste). Les tentatives d'unification (dite Grande Unification) n'ont rien donné (elles prédisent des particules non observées). On cherche encore.
- ces interactions et la gravité ne sont pas du tout unifié.

En fait, pour être exact, on a bien des théories de gravitation quantique. Pour citer les deux plus avancées :
- la gravitation quantique à boucles offre un cadre commun à la gravité et les autres interactions dans un modèle quantique
- la théorie des cordes est une véritable théorie unifiée

Mais aucune n'est encore validée.

En fait, c'est ça le problème : on a trop de théories. On ne sait pas lesquelles sont bonnes.

En réalité j'entendais par physique classique, la relativité générale, une erreur surement. Mais je voulais dire qu'il me semble que certaine théories tentent d'unifier la RG et la MQ. N'est ce pas ça en gros ? En tout cas merci pour ce "résumé des unifications" admise ou théorique, tout est très clair !

[invite3cc09d31]

Mais aucune n'est encore validée.

En fait, c'est ça le problème : on a trop de théories. On ne sait pas lesquelles sont bonnes.

Qu'en est il de l'expérimentation ? C'est le seul moyen de sortir de ce brouillard, est ce vraiment trop complexe avec les technologies actuels ?

[invite7ce6aa19]

En réalité j'entendais par physique classique, la relativité générale, une erreur surement. Mais je voulais dire qu'il me semble que certaine théories tentent d'unifier la RG et la MQ. N'est ce pas ça en gros ? En tout cas merci pour ce "résumé des unifications" admise ou théorique, tout est très clair !

Le problême ce n'est pas unifié la RG et la MQ mais de quantifier la RG, ce qui n'est pas du tout lamême chose.

[invite3cc09d31]

Le problême ce n'est pas unifié la RG et la MQ mais de quantifier la RG, ce qui n'est pas du tout lamême chose.

Pourtant on voit ça partout ! J'ai depuis longtemps entendu parler de cette unification, cela fait même le titre de certaines vidéo. Enfin, je vous fait confiance ! Mais je ne comprend pas, pouvez vous me préciser ce que veux dire "quantifier la RG" ?

Merci

[invite57f37970]

Le problême ce n'est pas unifié la RG et la MQ mais de quantifier la RG, ce qui n'est pas du tout lamême chose.

Je dirais que mariposa pinaille un peu, c'est quand même un peu la même chose... Même si "unifier RG et MQ" n'a pas le même sens que par exemple "unifier gravitation et interactions non-gravitationnelles".

[invite7ce6aa19]

Pourtant on voit ça partout ! J'ai depuis longtemps entendu parler de cette unification, cela fait même le titre de certaines vidéo. Enfin, je vous fait confiance ! Mais je ne comprend pas, pouvez vous me préciser ce que veux dire "quantifier la RG" ?

Merci

L expression unification est laxiste ou le fait de journalistes scientifiques.

En physique classique on a des mouvements elliptiques d un corps autour d un autre. L 'exemple usuel sont le mouvement des planetes autour du soleil.

L atome est un systéme solaire en modele réduit. la difference est qu il faut appliquer les lois de la MQ au lieu de la MC. c'est ce que l'on appelle la quantification canonique. La RG est un systéme classique et donc on applique la quantification canonique.

Dans les 2 cas atomes ou RG on obtiend un espace de Hilbert qui est l'espace naturel de la description des phénoménes quantiques.

[Deedee81]

Certes il y a des problemes mathématiques, mais cela découle du fait que la RG est une théorie géométrique ou les trajectoires ( les lignes d univers) ont un sens alors que en MQ la notion de trajectoire n 'a aucun sens.

Je ne l'ai jamais vu écrit comme ça, mais je dirais quand même que je suis d'accord. C'est clairement la difficulté avec l'équation de Wheeler-DeWitt (toute théorie géométrique invariante par difféomorphisme a ce problème).

Mais il y en a d'autre. La gravité linéarisée n'a plus ce problème (elle n'est pas géométrique) mais ça ne marche toujours pas (théorie non renormalisable). La supergravité améliore ce problème.... mais pas suffisamment.
EDIT l'aspect géométrique est tout de même le pire. Il suffit de voir le superespace : personne ne comprend sa structure. Le problème du classement de toutes les variétés riemaniennes étant un problème ouvert en mathématique.

Bref, c'est un vrai casse-tête.

Je suis d'accord aussi sur le fait qu'il faut distinguer quantification et unification. Ce sont deux choses différentes. Les deux sont difficiles.

Qu'en est il de l'expérimentation ?

Pratiquement nul part.

- On cherche des violations de certains principes actuellement. Comme le principe d'équivalence (formulation ancienne : masse inerte = masse pesante). Sans succès jusqu'ici.
- On essaie de vérifier la gravité à petite échelle. Difficile (c'est l'interaction la plus faible de toute, et de loin). Elle se comporte normalement jusqu'à une distance de 1 cm.
- On essaie d'observer la "granularité" de l'espace-temps. J'ai lu des tentatives dans ce sens. Ca m'a laissé TRES sceptique.
- On tente de vérifier certaines prédictions avec les gammas ray burst (des impulsions gammas très énergétiques venues du fond de l'univers). Sans succès. Il faut pour cela avoir une statistique précise du spectre en fonction du temps. Or c'est difficile à mesurer et ces burts sont fort rares (un vient de se produire, tellement puissant qu'il pose des problèmes de compréhension aux astrophysiciens : source Le dernier La Rercherche ou le dernier Pour La Science. Je lis les deux et souvent je ne sais plus dans lequel j'ai lu quoi ).
- On tente de découvrir une nouvelle physique avec le LHC (ce qui serait un premier pas / premier tri des théories allant au-delà du Modèle Standard). Il faut encore patienter.

Bref, c'est un peu le brouillard.