Gravitation quantique

[Gabriel]

Bonjour.
En 1905 Einstein démontre que les ondes électro-magnétiques sont à la fois des ondes et des quanta :
Interférences lumineuses et effet photo-électriques.

En 1915 Einstein démontre la relativité générale et prédit que la gravité est véhiculée par des ondes gravitationnelles.
En 2018 les astronomes observent dans 2 interféromètres l'existence des ondes gravitationnelles.

Depuis 1915, les physiciens cherchent intensément à relier la gravitation d'einstein et la mécanique quantique.

Pourquoi ne pas se contenter de dire que la gravité est transmise par des ondes gravitationnelles et par des quantum de gravité (gravitons) et donc que la gravité est à la fois une onde capable d'interférences et de gravitons capables d'une sorte d'effet photo-électrique gravitationnel ? ? ?

Qu'en pensez-vous ?
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[pm42]

Pourquoi ne pas se contenter de dire que la gravité est transmise par des ondes gravitationnelles et par des quantum de gravité (gravitons) et donc que la gravité est à la fois une onde capable d'interférences et de gravitons capables d'une sorte d'effet photo-électrique gravitationnel ? ? ?
Qu'en pensez-vous ?

On fait de la physique avec des maths, pas des phrases du genre yakafokon sur un forum.
Quand on essaie de mettre les 2 théories ensemble, on n'arrive pas à avoir un truc cohérent mathématiquement.

Ceci dit, quand on a des phrases du type yakofokon sur le forum, ce n'est pas cohérent non plus : la gravitation n'est pas transportée par des ondes gravitationnelles. Tout comme la lumière n'est pas transportée par le fait que tu fasse bouger un variateur.

[albanxiii]

Bonjour,

Qu'en pensez-vous ?

Vous venez de réaliser la quantification de la gravitation en une phrase, bravo !

Les articles de vulgarisation retraçant ces recherches ne manquent pas et que vous auriez pu faire l'effort d'en lire quelques uns. Ça sera mieux que ce qu'on pourrait dire sur le forum.

[Deedee81]

Salut,

A noter que l'idée que la gravité est "différente" des autres interactions et qu'on ne doit pas quantifier l'espace-temps n'est pas une idée nouvelle. Au contraire.
Malheureusement, ça ne marche pas. En tout cas, pas aussi facilement qu'on voudrait.
Par exemple, l'équation d'Einstein relie le tenseur de courbure de Ricci ou Einstein au tenseur énergie-impulsion.
Si la gravité est classique, alors on a d'un coté de l'équation un tenseur classique (dans une base donnée, une matrice de nombres fonction du point espace-temps) et comme la matière est quantique, on a à droite un objet quantique (dans une base donnée une matrice d'opérateurs). Et on ne peut égaler les deux comme ça (comme si on disait 3 = multiplication ). Et utiliser par exemple la valeur moyenne de l'opérateur est une approximation abusive (dans les situations où les effets quantiques se font sentir sur la gravité, les fluctuations quantiques ne peuvent plus être ignorées et de plus l'approche conduit à des inconsistances : les deux phénomènes sont liés).

La remarque d'Albanxiii est de bon aloi, d'autant que le sujet est extrêmement vaste. Quelques portes d'entrées sur le sujet : (pas du tout exhaustif)
https://forums.futura-sciences.com/p...quantique.html
https://link.springer.com/article/10.12942/lrr-2008-5 (très bon article de synthèse sur la gravitation quantique à boucles)
https://arxiv.org/abs/gr-qc/0210094 cours de Thiemann sur les boucles
Rovelli a aussi un assez bon bouquin (surtout pour la partie vulgarisée) sur les boucles, les anciennes éditions sont accès libre
https://fr.wikipedia.org/wiki/Th%C3%A9orie_des_cordes
Voir aussi les twisteurs, la supergravité, etc... etc... etc.... je pourrais faire une très longue liste.

Très bon livre de synthèse sur la gravité quantique (anciennes éditions accessibles gratuitement) :
http://alpha.sinp.msu.ru/~panov/LibB...ress(2007).pdf

Plus dans le sens de cette discussion :
https://www.pourlascience.fr/sd/phys...ique-15534.php
https://en.wikipedia.org/wiki/Quantu...rved_spacetime
THE livre sur le sujet est : N.D. Birrell & P.C.W. Davies. Quantum fields in curved space
(pas gratuit celui-là, mais c'est vraiment la bible du sujet)
(il y en a quelques autres aussi assez sympas, celui de Fullings est pas mal, et il y donne sa thèse de doctorat où il montre le lien avec l'effet Casimir, assez formidable.
Ceux de Wald sont fantastiques mais franchement ardus. Parker est comme le Birrel, un peu moins complet mais très accessible).
Il y a aussi la technique du superespace (pas facile de trouver des liens, il y a une partie à la fin de livre Gravitation de MTW qui en parle)

Bonnes lectures et bonnes recherches, car comme je l'ai dit c'est extraordinairement vaste et ci-dessus n'est qu'un très bref aperçu.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Gabriel]

Pardon d'avoir proposé mes idées d'une manière facile "ya-ka-fo-kon".

Je souhaitais mettre en parallèle la dualité "onde et photons" de la lumière et la dualité "ondes gravitationnelles et gravitons" de la gravité.

Cette dualité impose t'elle de quantifier l'espace ?

[invite54165721]

on peut tres bien faire un traitement semi classique de la mecanique quantique en espace temps courbe. c'est déja
coton et l'espace temps n'y est pas quantifié.

[Deedee81]

Cette dualité impose t'elle de quantifier l'espace ?

Pas nécessairement. La question reste encore ouverte.

En attendant, on explore théoriquement tout azimut. (en attendant des données expérimentales dépassant la RG ou le Modèle Standard des particule, ce qui commence sérieusement a se faire attendre).

[invite54165721]

Ceux de Wald sont fantastiques mais franchement ardus.

je n'ai lu en fait que le qft in curved spacetime de Wald. il est effectivement ardu mais ne fourmille pas d'équations. je ne sais pas pour les autres mais il montre tres bien en quoi la notion de particule n'est pas une donnée de base mais plutot un point de vue issu d'un choix.

[Deedee81]

Salut,

je n'ai lu en fait que le qft in curved spacetime de Wald. il est effectivement ardu mais ne fourmille pas d'équations. je ne sais pas pour les autres mais il montre tres bien en quoi la notion de particule n'est pas une donnée de base mais plutot un point de vue issu d'un choix.

Tout à fait juste. Dans le Wald j'ai beaucoup aimé les démonstrations des théorèmes sur les trous noirs.

Pour des calculs plus approfondis et plus complets (y compris avec divers outils mathématiques puisque les méthodes habituelles en TQC ne marchent pas) il y a le Birrel et Davies.

[Gabriel]

Peut-on imaginer une expérience de pensée qui mette en évidence le caractère quantique de la gravitation (gravitons) ???

[pm42]

Peut-on imaginer une expérience de pensée qui mette en évidence le caractère quantique de la gravitation (gravitons) ???

Non, on ne sait même pas si la gravitation est quantique et il y a des expériences en cours pour le déterminer : https://physicsworld.com/a/quantum-g...angled-masses/

[Deedee81]

Salut,

J'avais vu aussi une expérience de type interférométrique pour détecter la granularité de l'espace-temps. Mais j'avoue être franchement sceptique (quand on voit les ruses de sioux déployées avec LIGO/VIRGO pour atténuer les bruits.... et ce n'est même pas assez pour détecter une telle granularité !)

Des analyses très fines des spectres ont déjà été faites aussi (de minuscules écarts pourraient exister), mais rien jusqu'à ce jour.

Enfin, il y a les tests sur les gammas ray burst. La théorie semble (*) indiquer que leur vitesse doit diminuer (un tout petit peu) à très haute énergie. Et une analyse de leur spectre pourrait le révéler (les courtes longueur d'onde arrivant les dernières). Les résultats sont jusqu'ici négatifs.
(*) Mais pour pouvoir faire cette prédiction, on fait des simplifications (personne ne sait résoudre exactement les équations de, par exemple, la gravité quantique à boucles). Et je suis d'accord avec certains théoriciens qui disent que ces simplifications sont excessives. A cause des superpositions quantique d'états, il se peut même que la granularité soit impossible à mettre en évidence par ce type d'approche.

Enfin, le test ultime : des collisions à l'énergie de Planck avec des accélérateurs de particule. Là, on serait certain de mettre la gravitation quantique à l'épreuve. Mais on est loin, trèèèèèèèès loin, de savoir le faire. Il faudrait (avec les technologies actuelles) un accélérateur de la taille de notre galaxie !!!! Rappelons que le LHC ne fait "que" 27 km de diamètre et son successeur (actualité récente) fera peut-être 100 km. On est loin du milliard de milliards de km nécessaires

[Gabriel]

Merci à tous pour votre patience.

[ThM55]

Le "yakafokon" n'est pas forcément idiot. C'est ce qu'on fait les pionniers pour aborder le sujet: Feynman, Dewitt, etc (longtemps après 1915, d'ailleurs, parce que c'est beaucoup récemment qu'on a appris à poser la question). Il est possible, contrairement à l'impression que peut donner une lecture superficielle de la vulgarisation, d'écrire une théorie quantique du champ de masse nulle et de spin 2, c'est-à-dire du champ de gravitation. Une observation importante est que cette théorie fournit la gravitation d'Einstein à sa limite classique. Le problème est que ce n'est qu'une théorie "effective", car elle est non-renormalisable. Cela veut dire qu'il faudrait potentiellement une infinité de mesures numériques pour tirer des prédictions de cette théorie, ce qui lui ôte son pouvoir prédictif, du moins dans l'absolu. On ne contrôle pas l'effet numérique des approximations successives.

Cependant, on sait maintenant manier de telles théories effectives si on les maintient dans leur domaine de validité. Mais contrairement à ces théories effectives des autres interactions, cette théorie du champs de spin 2 est inadéquate pour le domaine d'application qu'on souhaite pour une telle théorie: singularité au centre d'un trou noir, évaporation finale du trou noir, ou bien que devient le big bang très près de sa singularité? Elle est incapable de répondre à ces questions. C'est pour ces raisons (non renormalisable, inadéquate) qu'on considère que le problème de la gravité quantique n'est pas résolu.

Il existe une théorie de la gravité incluse dans la théorie des cordes, mais c'est une tout autre histoire et on est loin de la question posée, à mon avis (je ne suis d'ailleurs pas compétent pour l'expliquer).