Relativité générale & mécanique quantique

[BACHIR2023]

Bonsoir tout le monde
En remarquant que les deux théories fondamentales du 20ème siècle : relativité et physique quantique reposent sur des idées différentes. Et la notion de temps est l’une d’entre elles.
À l’échelle quantique, le temps s’écoule de manière fiable, et la mesure du temps implique simplement de regarder la bonne horloge. Les choses sont plus complexes avec la relativité. Dans la relativité générale, le temps est dynamique. Une horloge est influencée par ce qui l’entoure. Plus précisément, le temps s’incurve et s’étire au voisinage d’objets dotés d’une masse.
De plus, chacune a son vide, et ce ne sont pas les mêmes : Dans la théorie de la relativité, l'espace y est complètement dénué de substance, il est vide. En théorie quantique le vide n’est pas vide.
Un autre problème, la relativité générale est une théorie fondamentalement géométrique. Or, le principe d'incertitude qui est au cœur de la physique quantique est intrinsèquement incompatible avec une géométrisation.
De plus, cette liste n'est pas exhaustive….
Conclusion : Ces deux théories sont incompatibles ne disent pas la même chose concernant telle ou tel concept.
Question : Pourquoi cherche-t-on à unifier deux théories qui sont par essence différentes ?





L’équipement scientifique le plus puissant au monde n’est pas un accélérateur de particules ou un véhicule spatial : c’est l’esprit humain.
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[Antonium]

Bonjour,

Pourquoi cherche-t-on à unifier deux théories qui sont par essence différentes ?

La réalité s'en fiche pas mal des théories qu'on utilise pour la décrire. Elle est ce qu'elle est et nous avons trouvé de bonnes descriptions dans des régimes différents, une lorsque la seule interaction qui entre en jeu est la gravitation (RG), une lorsqu'on considère toutes les autres interactions sauf la gravitation (MQ & modèle standard des particules). En revanche ces interactions existent toutes, donc on pense qu'il devrait y avoir une description qui les regroupe. De plus c'est important pour comprendre les premiers instants de l'univers et tenter ainsi de répondre à certaines questions existentielles.

[Deedee81]

Salut,

Conclusion : Ces deux théories sont incompatibles ne disent pas la même chose concernant telle ou tel concept.

Ca c'est pas grave. Par exemple l'électrodynamique classique et la MQ sont aussi comme ça. Pourtant leur mariage ne pose pas de difficulté insurmontable (dans l'étude de la théorie quantique des champs c'est toujours par ça qu'on commence). Les difficultés en gravité quantique sont nombreuses mais pas du tout sur cet aspect là.

Plus demain si tu le souhaite (là je dois partir).

Question : Pourquoi cherche-t-on à unifier deux théories qui sont par essence différentes ?

Parce qu'il y a des situations physiques (extrêmes il est vrai) où les deux interviennent de manière intime. On a besoin des deux et les deux donnent des résultats contradictoires. Il faut dans ce cas une théorie unifiée (et si possible validée )

[Sethy]

Je me permets de citer un passage que tu as écrit dans l'autre discussion : "Cette physique est déroutante que l’on n’arrive pas jusqu’à présent à la mettre en défaut. Peut être dans un future proche, une nouvelle théorie émerge qui ne contredit pas la raison pure et le « sens commun ».".

Si c'est ça que tu cherches, je ne pense pas que tu le trouveras (et certainement pas ici). Au fond, cette idée s'inscrit dans la logique d'Einstein, Einstein qui va inventer cette magnifique expérience de pensée que le paradoxe EPR.

Et paradoxalement, même si cette question a ennuyé les physicien pendant 40 ans, Bell et Aspect ont montré qu'Einstein avait tort. Et à son corps défendant, Einstein a permis de mettre en évidence la non localité de la physique.

Ces théories sont fécondes et c'est quand même la condition première pour qu'elles soient considérées.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Nicophil]

Bonjour Sethy,

Et à son corps défendant, Einstein a permis de mettre en évidence la non-localité de la physique.

Qu'est-ce que tu entends par là ?

[Sethy]

Bonjour Sethy,

Qu'est-ce que tu entends par là ?

Il voulait prouver une chose et en inventant cette expérience, il a prouvé juste le contraire.

[Matmat]

Question : Pourquoi cherche-t-on à unifier deux théories qui sont par essence différentes ?

Même sans allez chercher des cas extrêmes tant que c'est pas unifié alors on ne peut pas vraiment affirmer qu'on comprend quoique ce soit profondément.

Par exemple, lorsque Bohr répond à Einstein sur la boite à photon, il utilise la gravitation (donc la RG) . Soit cette explication est complétement justifiée soit elle ne l'est pas du tout.

[Nicophil]

Il voulait prouver une chose

Non, l'article EPR n'avait pas pour but de prouver que la physique obéit au principe de localité !

[oualos]

À l’échelle quantique, le temps s’écoule de manière fiable, et la mesure du temps implique simplement de regarder la bonne horloge.

Pas si simple:
Ψn fonction de probabilité de présence dépend du temps mais son module au carré n'en dépend plus : la densité de probabilité de présence est constante au cours du temps.
La non-localité supposerait une vitesse infinie ce qui est impossible: alors peut-être que le temps au niveau quantique n'existe pas ou pas sous la forme qu'on connaît ?
Les physiciens discutent de ce problème...
Mais 2 chercheurs affirmeraient que la physique quantique se déduirait de la Relativité et qui plus est de la relativité restreinte. Problème: ils supposent l'existence d'une vitesse supra-luminique.
https://www.science-et-vie.com/scien...edit-6422.html
À prendre avec des pincettes et en plus l'article ne donne ni les noms ni les références des articles de ces chercheurs...
Ça sent le scoop!

[gts2]

Ψn fonction de probabilité de présence dépend du temps mais son module au carré n'en dépend plus : la densité de probabilité de présence est constante au cours du temps.

Vous prenez un cas particulier, on peut très bien avoir une densité de probabilité qui dépend du temps : prenez un paquet d'onde qui se déplace.

[stefjm]

À prendre avec des pincettes et en plus l'article ne donne ni les noms ni les références des articles de ces chercheurs...

Mais si.

https://iopscience.iop.org/article/1...67-2630/ab76f7

Andrzej Dragan and Artur Ekert

Abstract

Quantum mechanics is an incredibly successful theory and yet the statistical nature of its predictions is hard to accept and has been the subject of numerous debates. The notion of inherent randomness, something that happens without any cause, goes against our rational understanding of reality. To add to the puzzle, randomness that appears in non-relativistic quantum theory tacitly respects relativity, for example, it makes instantaneous signaling impossible. Here, we argue that this is because the special theory of relativity can itself account for such a random behavior. We show that the full mathematical structure of the Lorentz transformation, the one which includes the superluminal part, implies the emergence of non-deterministic dynamics, together with complex probability amplitudes and multiple trajectories. This indicates that the connections between the two seemingly different theories are deeper and more subtle than previously thought.

[sunyata]

Bonsoir tout le monde
En remarquant que les deux théories fondamentales du 20ème siècle : relativité et physique quantique reposent sur des idées différentes. Et la notion de temps est l’une d’entre elles.
À l’échelle quantique, le temps s’écoule de manière fiable, et la mesure du temps implique simplement de regarder la bonne horloge. Les choses sont plus complexes avec la relativité. Dans la relativité générale, le temps est dynamique. Une horloge est influencée par ce qui l’entoure. Plus précisément, le temps s’incurve et s’étire au voisinage d’objets dotés d’une masse.
De plus, chacune a son vide, et ce ne sont pas les mêmes : Dans la théorie de la relativité, l'espace y est complètement dénué de substance, il est vide. En théorie quantique le vide n’est pas vide.
Un autre problème, la relativité générale est une théorie fondamentalement géométrique. Or, le principe d'incertitude qui est au cœur de la physique quantique est intrinsèquement incompatible avec une géométrisation.
De plus, cette liste n'est pas exhaustive….
Conclusion : Ces deux théories sont incompatibles ne disent pas la même chose concernant telle ou tel concept.
Question : Pourquoi cherche-t-on à unifier deux théories qui sont par essence différentes ?
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Bonjour,

En effet,

Si la gravitation est une propriété émergente, cela a-t-il un sens de rechercher une théorie unifiant la relativité et la physique quantique ?

Est-ce que ce ne serait pas comme rechercher la température d'une seule molécule, alors que la température est une propriété collective impliquant un grand nombre de molécules.

Si le Temps est une propriété émergente de la matière, la même question se pose....

Il y a la justification du trou noir, où il y aurait possiblement des singularités. Mais est-ce un trou noir n'est-il pas toute simplement, un phénomène ordinaire, se déroulant très lentement pour nous du fait des effets relativistes ?

Cordialement

[oualos]

J'ai comme un doute: relativement à votre première affirmation on sait que les forces gravitationnelles sont négligeables par rapport à celles électromagnétiques. Mais on a du mesurer par exemple dans une étoile à neutrons -au moins par un modèle- la force gravitationnelle exercée entre neutrons et en déduire le comportement global de cette étoile, au moins partiellement ?

Si le Temps est une propriété émergente de la matière, la même question se pose...

Effectivement dans ce cas, la non-localité est résolue rapidement.
Enfin il me semble...

[Nicophil]

Effectivement dans ce cas, la non-localité est résolue rapidement.
Enfin il me semble...

Mais c'est quoi la non-localité ??

[oualos]

Je laisse chatGPT répondre==>

Question: qu'est-ce que la non-localité ?

ChatGPT:
La non-localité, également connue sous le nom d'action à distance, est un concept de la mécanique quantique qui défie l'intuition classique selon laquelle les effets physiques ne peuvent se produire instantanément à distance.

Dans le contexte de la mécanique quantique, la non-localité fait référence à des corrélations entre des particules qui sont étroitement liées ou qui ont interagi dans le passé, de telle manière que l'état ou le comportement d'une particule peut être instantanément lié à celui d'une autre, indépendamment de la distance qui les sépare.

Le phénomène de non-localité a été mis en évidence dans des expériences, notamment l'expérience d'Aspect (expériences des inégalités de Bell), qui a montré que les particules subatomiques, telles que les photons, peuvent être corrélées de manière intriquée de telle sorte que les mesures effectuées sur l'une des particules ont une influence instantanée sur l'autre, même si elles sont séparées par de grandes distances.

La non-localité est souvent considérée comme étant en contradiction avec l'idée classique de la causalité locale, selon laquelle les effets ne peuvent se propager qu'à des vitesses inférieures ou égales à celle de la lumière. Cependant, la non-localité ne permet pas de transmettre des informations plus rapidement que la vitesse de la lumière et n'est donc pas en contradiction avec la relativité restreinte.

La non-localité est un concept complexe et controversé qui a suscité de nombreuses discussions et interprétations au sein de la communauté scientifique. Différentes interprétations de la mécanique quantique, telles que l'interprétation de Copenhague et l'interprétation des variables cachées, ont des perspectives différentes sur la signification et la portée de la non-localité.

Il convient de noter que la non-localité reste un domaine actif de recherche en physique quantique, et son interprétation et ses implications font toujours l'objet de débats et de recherches approfondies.

[Sethy]

Je vous suggère de créer un fil alternatif si vous voulez continuer sur le thème de la non-localité.

[ThM55]

Les raisons invoquées pour l'incompatibilité supposée de la relativité générale et de la mécanique quantique ne sont pas les bonnes raisons. Je voudrais au contraire faire la remarque que ces deux théories sont manifestement faites pour s'entendre! (j'ai conscience d'être en porte à faux avec tout ce qui s'écrit partout mais j'ai un argument pour ça).

En effet, on peut envisager la relativité générale d'une toute autre manière que l'a fait Einstein. Au lieu d'un espace-temps courbe, on part de l'espace-temps plat de Minkowski et on demande l'invariance sous les transformations de Lorentz. C'est ce que l'on fait pour la théorie quantique des champs qui s'applique aux particules du modèle standard (leptons, quarks, bosons de jauge, Higgs,.....). Ce modèle standard ne contient aucune particule de masse nulle et de spin 2. Les bosons de jauge sont en effet de spin 1. Le photon est de masse nulle et est de spin 1. Les autres n'ont une masse que par le mécanisme de Higgs.

Si toutefois on introduit une particule de masse nulle et de spin 2, on peut en faire la théorie quantique. Si on veut qu'elle ait un effet observable il faut la coupler aux autres champs. Steven Weinberg a déduit de la théorie quantique des champs et de l'exigence d'invariance sous Lorentz une conséquence remarquable: le couplage de ce champ de spin 2 doit être universel avec tous les autres champs. Il est important de remarquer qu'il a utilisé pour cela un argument purement quantique! Autrement dit il a déduit le principe d'équivalence de la théorie quantique des champs et de l'hypothèse d'une particule de spin 2 observable en principe.

Le raisonnement de Weinberg est expliqué dans le §9.5.1 de Schwartz, "QFT and the standard model".

Si on en tire toutes les conséquences, on doit fatalement retrouver les équations d'Einstein dans le cas classique car le couplage doit se faire de manière universelle avec le tenseur d'énergie-impulsion de tous les champs, y compris celui du champ de spin 2 lui-même. Deser avait montré que si on procède par approximations successives dans la théorie classique on retrouve bien les équations d'Einstein sans jamais avoir supposé un espace-temps courbe. On peut aussi se rappeler que Weinberg, contrairement à la plupart des auteurs de traités sur la RG, n'attachait pas trop d'importance au contenu géométrique de la théorie d'Einstein. Son traité sur la gravitation présentait la géométrie comme un simple outil mathématique, la théorie des champs vérifiant le principe d'équivalence étant réellement au centre. Pas seulement une question de goût, il justifiait cela par le fait que cette approche fait le minimum d'hypothèses au delà de ce qui est directement déduit de l'expérience (par ex de l'expérience d'Eötvös). Disons que c'est une attitude méthodologique assez saine, cela n'enlève rien à l'importance de l'aspect géométrique.

Mais si le couplage universel se déduit de la théorie quantique, et de là la théorie d'Einstein à la limite classique, il n'est évidemment pas correct, pour autant que j'y comprenne quelque chose, de dire que la théorie quantique et la relativité générale sont incompatibles. Au contraire, on voit une remarquable concordance, quelque chose qu'il était impossible de soupçonner avant le raisonnement de Weinberg.

Le vrai problème se situe ailleurs, dans la question des hautes énergies avec le problème de la renormalisabilité. Beaucoup de gens en on déduit qu'il faut d'une certaine façon modifier la théorie d'Einstein. Cela a donné plein d'idées comme la LQG, les (super-)cordes, la sûreté asymptotique, les triangulations dynamiques, etc.... Je remarque que les cordes prédisent une particule de masse nulle de spin 2 et modifient à haute énergie non seulement la gravitation, mais aussi toute la théorie quantique des champs. Personne n'a la vérité, pour avancer il faudra des avancées expérimentales.

[Sethy]

Très interessant, merci.

[Deedee81]

Bonjour,

Pour les autres aspects (d'ailleurs fort intéressant) comme la non localité je conseille en effet d'ouvrir un autre fil pour ne pas trop dérivier.

Ayant été absent, la discussion a vachement progressé. Je répondrai juste à ce point :

Mais on a du mesurer par exemple dans une étoile à neutrons -au moins par un modèle- la force gravitationnelle exercée entre neutrons et en déduire le comportement global de cette étoile, au moins partiellement ?

C'est un très bonne question car en effet la gravité est si extrême pour une étoile à neutrons que les effets de la relativité générale doivent être pris en compte. Et on doit être proche (ou mieux) des effets de gravité quantique. Et à la surface la gravité est phénoménale (un humain y serait aplati comme une crêpe en une fraction de seconde, les plus haute montagne doivent faire quelques mm !!!!) mais .... pas encore assez. Et comme on déduit la masse du corps d'après sa gravité, ça se mord la queue.

Toutefois c'est un mauvais sujet de test expérimental (pour la GQ):
1) On ne voit que les étoiles à neutrons de l'extérieur. Impossible de connaitre l'état de la matière au centre. La situation pourrait changer (partiellement) avec l'étude des ondes gravitationnelles lors de la fusion d'étoiles à neutrons (on a même récemment montré que c'est ce genre d'événement qui synthétise la plus grande partie de l'or en nucléosynthèse )
2) Les calculs sont épouvantables. Et pas à cause de la gravitation mais à cause de l'interaction forte. Le chromodynamique quantique est une théorie difficile avec une constante de couplage forte empêchant d'utiliser la plupart des méthodes de calculs (comme la théorie des perturbations) et il faut des calculs sur super ordinateur (calculs sur réseaux) : ça se fait pour le calcul de la masse du proton par exemple, et là il y a trois quarks seulement. Pour les étoiles neutrons, selon les hypothèses faites on trouve un peu tout et n'importe quoi : pour le coeur, fluide de neutrons ? Plasma se quarks ? Quarks cristallisés ? Etoile étranges ? (ce dernier cas est un plasma avec des quarks étranges, comme ceux dans les mésons K).

[BACHIR2023]

Très intéressant, ce que vous dites, ThM55 .
La théorie quantique des champs, en effet décrit les 03 interactions fondamentales. Contrairement à la relativité générale qui ne décrit qu’elle.
a+