Gravite et physique quantique.

[cherchetout77]

Bonjour.

J'ai une formation littéraire et dévore tous les ouvrages de vulgarisation de physique quantique sans comprendre je l'avoue énormément de choses ... mais ça me passionne !

Par exemple pouvez vous m'expliquer de manière " simpliste " pourquoi la physique quantique et la gravitation sont incompatibles pour former la Théorie du Tout ?

Merci
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[Deedee81]

Salut,

Bon, synthès ultra courte et j'espère assez compréhensible. Avec quelques références pour éventuellement approfondir.

Tout d'abord, à strictement parler les deux ne sont pas incompatibles.
Il est tout à fait possible de quantifier directement la gravité : https://fr.wikipedia.org/wiki/Gravit...%C3%A0_boucles
(le problème étant qu'on ne sait pas si la théorie est juste : elle n'est pas encore validée, et il y a pas mal de difficultés mathématiques pour la développer)
Et mieux encore : on peut montrer que lorsque l'on marie gravité et mécanique quantique il n'y a plus ni singularité ni divergences : https://en.wikipedia.org/wiki/Asympt...uantum_gravity

Ce qu'il y a c'est des difficultés d'ordre divers :

1) Le formalisme et le cadre théorique de la mécanique quantique (MQ) et de la relativité générale (RG) sont extrêmement différent. Les outils mathématiques sont le jour et la nuit. Décrire les deux ensemble peut donc être fort compliqué.

2) La gravitation est un champ (typiquement un champ de courbure de l'espace-temps, décrit par le tenseur de Riemann-Christoffel). Et la théorie quantique des champs (TQC) est une théorie pouvant traiter tout type de champ.
La TQC rencontre une difficulté : ce sont des divergences des quantités calculées. C'est difficile, surtout les divergences ultraviolettes. Mais le problème a été résolu et rigoureusement par la méthode de renormalisation :
https://fr.wikipedia.org/wiki/Renormalisation
N'oublions pas les résultats : unification des interactions électromagnétiques et faibles, et prédictions les mieux vérifiées de tous les temps (https://fr.wikipedia.org/wiki/Moment...A9tique_anomal)
et récemment la confirmation de l'existence du boson de Higgs, dernière brique du Modèle Standard de la physique des particules.
Il est donc tentant de faire la même chose avec la gravitation mais malheureusement.... la théorie n'est pas renormalisable
(plus précisément : il faudrait une infinité de constantes obtenues expérimentalement pour rendre la théorie finie)

3) On peut faire l'inverse. Faire de la mécanique quantique dans un cadre gravitationnel. Mais il y a un soucis : le principe d'indétermination de Heisenberg https://fr.wikipedia.org/wiki/Principe_d%27incertitude
implique que sur de très courte durée (typiquement le temps de Planck : https://fr.wikipedia.org/wiki/Temps_de_Planck ) il y a assez d'énergie pour avoir.... un trou noir. L'espace qui nous entoure devrait être remplit de trous noirs de toute taille et en en tout point. Ben heureusement que ce n'est pas le cas

4) On peut aussi développer la TQC sur un arrière plan décrit par un espace-temps courbe (habituellement on utilise l'espace-temps de Minkowski). C'est la base du fameux rayonnement de Hawking : https://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89...es_trous_noirs

Mais dans ce modèle l'espace-temps est imposé. Et calculer lest effets quantiques sur l'espace-temps est difficile mais pire il y a des problèmes (là aussi) avec la renormalisation (paramètres de valeurs inconnues), c'est la principale objection de Wald, et pire encore : des inconsistances (relevé par Ted Jacobson avec les fluctuations quantiques et j'ai vérifié que le calcul des effets dit en retour dans le cas de l'évaporation des trous noirs conduit à une équation .... sans solution !!!!!)

5) On manque de résultats expérimentaux. Ceux-si sont souvent (presque toujours) le guide pour dire : "là c'est pas bon, faut faire comme ça". Mais dans un domaine aussi extrême ça manque.... Il y a bien des trucs un peu limites (en astrophysique : la matière noire, en cosmologie : l'énergie noire, en physique des particules : moment magnétique anomal du muon, taille du proton, durée de vie du neutron, désintégtations du méson B.... avec pleins de bizarreries qui sont peut-être des indices d'une autre physique.

Vu ce qui est dit plus haut, il est clair qu'il faut une autre approche, il faut changer des choses. Ce que les théoriciens on fait : gravité à boucles, théorie des cordes, twisteurs, triangulations causales,, géométries non commutatives, et j'en passe, sans compter des variantes, des approches latérales, etc... etc... etc.... Et si on ajoute d'autres points comme l'unification des interactions fondamentale, ça fait beaucoup d'idées et de théories plus ou moins "révolutionnaires". Et dans cette jungle d'idées (parfois extraordinaires, c'est vrai que c'est passionnant, les histoires ER=EPR ont frappés les esprits, ou plus ancien : la découverte que les supercordes d'excitation la plus basse sont des gravitons ou la découverte de la quantification canonique de la gravité par Ashtekar... tout ça fait briller les étoiles dans les yeux) on manque de données pour dire ce qui est bon, ce qui est faux (voire ce qui est idiot )

Mais il y a quand même des recherches en cours (sur les bizareries citées ci-dessus, pour vérifier si la gravité doit être quantifiée ou pas ou si la réduction de la fonction d'onde est physique ou pas). FAut juste être patient (ou soi même chercher )

Plus d'explications..... à la demande