La gravité est la première force fondamentale que l’humanité a reconnue, et pourtant elle reste la moins bien comprise. Les physiciens peuvent prédire l’influence de la gravité sur les boules de bowling, les étoiles et les planètes avec une précision exquise, mais personne ne sait comment cette force interagit avec des particules minuscules, ou quanta. La recherche, longue de près d’un siècle, d’une théorie de la gravité quantique – une description du fonctionnement de la force pour les plus petits morceaux de l’univers – est motivée par la simple attente qu’un seul livre de règles gravitationnelles devrait régir toutes les galaxies, les quarks et tout ce qui se trouve entre les deux.
« S’il n’y a pas de théorie, alors l’univers n’est que chaos. C’est juste aléatoire », a déclaré Netta Engelhardt, physicienne théoricienne au Massachusetts Institute of Technology. « Je ne peux même pas dire que ce serait chaotique ou aléatoire parce que ce sont en fait des processus physiques légitimes. »
Le bord de la relativité générale
Au cœur du problème le plus épineux de la physique théorique se trouve un affrontement entre les deux plus grands triomphes du domaine. La théorie de la relativité générale d’Albert Einstein a remplacé la notion d’Isaac Newton de simple attraction entre objets par une description de la matière ou de l’énergie courbant l’espace et le temps autour d’elle, et des objets proches suivant ces trajectoires courbes, agissant comme s’ils étaient attirés les uns par les autres. Dans les équations d’Einstein, la gravité est la forme de l’espace lui-même. Sa théorie a conservé la description traditionnelle d’un univers lisse et classique – un univers où l’on peut toujours zoomer davantage sur une parcelle d’espace plus petite.
La relativité générale continue de réussir tous les tests que les astrophysiciens lui soumettent, y compris des situations qu’Einstein n’aurait jamais pu imaginer. Mais la plupart des experts s’attendent à ce que la théorie d’Einstein échoue un jour, car l’univers apparaît finalement bosselé et non lisse. Les planètes et les étoiles sont en réalité des collections d’atomes qui, à leur tour, sont constitués d’électrons et de paquets de quarks. Ces particules s’accrochent ou se séparent en échangeant d’autres types de particules, donnant lieu à des forces d’attraction et de répulsion.
Les forces électriques et magnétiques, par exemple, proviennent d’objets qui échangent des particules appelées photons virtuels. Par exemple, la force qui colle un aimant au réfrigérateur peut être décrite comme un champ magnétique lisse et classique, mais les détails fins du champ dépendent des particules quantiques qui le créent. Parmi les quatre forces fondamentales de l’univers (la gravité, l’électromagnétisme et les forces nucléaires forte et faible), seule la gravité ne possède pas de description « quantique ». Par conséquent, personne ne sait avec certitude (bien que les idées ne manquent pas) d’où proviennent les champs gravitationnels ou comment les particules individuelles agissent en leur sein.
La force étrange
Le problème est que même si la gravité nous maintient collés au sol et agit généralement comme une force, la relativité générale suggère que c’est quelque chose de plus – la forme de l’espace lui-même. D’autres théories quantiques traitent l’espace comme une toile de fond plate permettant de mesurer la distance et la vitesse de vol des particules. Ignorer la courbure de l’espace pour les particules fonctionne parce que la gravité est tellement plus faible que les autres forces que l’espace semble plat lorsqu’on fait un zoom sur un objet aussi petit qu’un électron. Les effets de la gravité et de la courbure de l’espace sont relativement évidents à des niveaux plus éloignés, comme les planètes et les étoiles. Mais lorsque les physiciens essaient de calculer la courbure de l’espace autour d’un électron, aussi légère soit-elle, les mathématiques deviennent impossibles.
À la fin des années 1940, les physiciens ont mis au point une technique, appelée renormalisation, pour traiter les caprices de la mécanique quantique, qui permettent à un électron de pimenter un voyage ennuyeux d’une variété infinie de façons. Il peut, par exemple, émettre un photon. Ce photon peut se diviser en un électron et son jumeau antimatière, le positron. Ces paires peuvent ensuite émettre d’autres photons, qui peuvent se diviser en d’autres jumeaux, et ainsi de suite. Alors qu’un calcul parfait nécessiterait de comptabiliser l’infinie variété de parcours des électrons, la renormalisation a permis aux physiciens de rassembler les possibilités indisciplinées en quelques nombres mesurables, comme la charge et la masse des électrons. Ils ne pouvaient pas prédire ces valeurs, mais ils pouvaient brancher les résultats des expériences et les utiliser pour faire d’autres prédictions, comme la destination de l’électron.
La renormalisation cesse de fonctionner lorsque les particules de gravité théoriques, appelées gravitons, entrent en scène. Les gravitons ont également leur propre énergie, ce qui crée plus de déformation de l’espace et plus de gravitons, qui créent plus de déformation, et plus de gravitons, et ainsi de suite, résultant généralement en un désordre mathématique géant. Même lorsque les physiciens essaient d’empiler certains de ces infinis pour les mesurer expérimentalement, ils finissent par se noyer dans un nombre infini de piles.
« Cela signifie effectivement que vous avez besoin d’un nombre infini d’expériences pour déterminer quoi que ce soit », a déclaré Engelhardt, « et ce n’est pas une théorie réaliste. »
En pratique, cette incapacité à traiter la courbure autour des particules devient fatale dans les situations où beaucoup de masse et d’énergie tordent l’espace si étroitement que même les électrons et leurs semblables ne peuvent s’empêcher de le remarquer – comme c’est le cas des trous noirs. Mais toute particule très proche – ou pire, à l’intérieur – des puits de l’espace-temps connaît certainement les règles d’engagement, même si les physiciens ne le font pas.
« La nature a trouvé un moyen de faire exister les trous noirs », écrit Robbert Dijkgraaf, directeur de l’Institut d’études avancées de Princeton, dans le New Jersey, dans une publication de l’institut. « Maintenant, c’est à nous de découvrir ce que la nature sait et que nous ne savons pas encore ».
Amener la gravité dans le pli
En utilisant une approximation de la relativité générale (Engelhardt l’a appelé un « pansement »), les physiciens ont développé une notion de ce à quoi les gravitons pourraient ressembler, mais personne ne s’attend à en voir un de sitôt. Selon une expérience de pensée, il faudrait 100 ans d’expérimentation dans un collisionneur de particules aussi lourd que Jupiter pour en détecter un. Donc, en attendant, les théoriciens repensent la nature des éléments les plus fondamentaux de l’univers.
Une théorie, connue sous le nom de gravité quantique à boucle, vise à résoudre le conflit entre les particules et l’espace-temps en décomposant l’espace et le temps en petits morceaux – une résolution ultime au-delà de laquelle aucun zoom ne peut avoir lieu.
La théorie des cordes, un autre cadre populaire, adopte une approche différente et troque les particules contre des cordes en forme de fibres, qui se comportent mieux mathématiquement que leurs homologues ponctuels. Ce simple changement a des conséquences complexes, mais une caractéristique agréable est que la gravité tombe tout simplement des mathématiques. Selon M. Engelhardt, même si Einstein et ses contemporains n’avaient jamais développé la relativité générale, les physiciens seraient tombés dessus plus tard grâce à la théorie des cordes. « Je trouve cela assez miraculeux », a-t-elle déclaré.
Et les théoriciens des cordes ont découvert d’autres indices montrant qu’ils sont sur une voie productive au cours des dernières décennies, selon Engelhardt. En termes simples, l’idée de l’espace lui-même pourrait détourner les physiciens d’une structure plus fondamentale de l’univers.
Les théoriciens ont découvert à la fin des années 1990 que les descriptions d’un univers simple, en forme de boîte, incluant la gravité, étaient mathématiquement équivalentes à une image d’un univers plat avec seulement la physique quantique (et pas de gravité). La possibilité de faire des allers-retours entre les descriptions suggère que l’espace n’est peut-être pas un ingrédient fondamental du cosmos, mais plutôt un effet secondaire qui émerge des interactions entre les particules.
Aussi difficile que cela puisse être à imaginer pour nous, mortels intégrés dans le tissu de l’espace, la relation entre l’espace et les particules pourrait être quelque chose comme celle entre la température ambiante et les molécules d’air. Les physiciens considéraient autrefois la chaleur comme un fluide qui circulait d’une pièce chaude à une pièce froide, mais la découverte des molécules a révélé que ce que nous ressentons comme une température « émerge » de la vitesse moyenne des molécules d’air. L’espace (et, de manière équivalente, la gravité) peut également représenter notre expérience à grande échelle d’un phénomène à petite échelle. « Dans le cadre de la théorie des cordes, il y a d’assez bonnes indications à ce stade que l’espace est en fait émergent », a déclaré Engelhardt.
Mais l’univers en boîte de la théorie des cordes a une forme différente de celle que nous voyons (bien qu’Engelhardt ait dit que cette différence pourrait ne pas être un facteur de rupture, puisque la gravité quantique pourrait agir de la même manière pour toutes les formes d’univers possibles). Même si les leçons tirées de l’univers des boîtes s’appliquent à la réalité, le cadre mathématique reste approximatif. Les physiciens sont loin de couper leurs liens théoriques avec l’espace et de parvenir à une description précise de la gravité quantique dans toute sa gloire bosselée.