Gravité quantique
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2008-07-02T14:30:24Z
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{{quantique}}
La '''gravité quantique''' est une branche de la [[physique théorique]] tentant d'unifier la [[mécanique quantique]] et la [[relativité générale]].
==Problématique==
La plupart des difficultés rencontrées lors de cette unification proviennent des suppositions radicalement différentes de ces théories sur le fonctionnement de l'univers.
Une autre difficulté vient du succès de la ''mécanique quantique'' et de la théorie de la ''relativité générale''. Toutes deux sont couronnées de succès et aucun phénomène ne les contredit. Les énergies et conditions auxquelles la ''gravité quantique'' pourrait être vérifiée sont inaccessibles à notre technologie. Aussi aucune observation expérimentale n'est disponible pour donner des indices sur la façon de les combiner.
La mécanique quantique est basée sur les particules de médiation des différentes forces utilisées dans l'[[espace-temps]] plat de la [[mécanique newtonienne]] ou de la [[relativité restreinte]] tandis que la théorie de la ''[[relativité générale]]'' modélise la [[gravité]] comme une courbure de l'espace-temps dont le rayon se modifie lorsque la matière se déplace. Les voies les plus triviales pour combiner ces deux théories (telles que traiter la gravité comme un champ possédant une particule de médiation : le [[graviton]]) se heurtent au problème de [[renormalisation]]. En effet la gravité est sensible à la masse donc d'après le principe d'équivalence de la masse et de l'énergie en ''relativité restreinte'' elle est aussi sensible à l'énergie. Un graviton doit donc interagir avec lui-même ce qui crée de nouveaux gravitons qui à leur tour interagissent à nouveau... Il apparaît donc des valeurs d'énergie infinies qui ne peuvent être éliminées.
L'approche générale utilisée pour dériver une théorie de la gravité quantique est de présumer que la théorie sous-jacente est simple et élégante puis d'examiner les symétries et indices pour les combiner en une théorie globale. Un problème avec cette approche est que l'on ne sait pas si la gravité quantique est une théorie simple et élégante.
Une telle théorie est nécessaire pour comprendre les problèmes invoquant de larges masses de matière ou d'énergie et de très petites dimensions d'espace telles que les [[trou noir|trous noirs]] ou [[Big Bang|l'origine de l'univers]].
===Effet de la gravité en mécanique quantique===
Bien qu'on ne dispose pas de description quantique de la gravité, il est possible de déterminer le comportement d'un objet quantique en présence de gravité. Prédire le mouvement d'une particule dans un champ de gravité (on utilise l'expression newtonienne de la gravité, suffisamment précise à cette échelle) est même un exercice classique pour les étudiants.<ref>{{pdf}} [http://www.cenbg.in2p3.fr/joliot-curie/transparents%20et%20cours%202006/cours%202006/cours_Protasov.pdf Physique fondamentale avec des neutrons ultra froids]</ref> On montre que les niveaux d'énergie potentielle de pesanteur sont bien quantifiés, même si la gravité elle-même ne l'est pas.
L'expérience a depuis été réalisée par Valery Nesvizhevsky et montre que les neutrons se trouvent bien aux trajectoires prédites par la mécanique quantique.<ref>[[Science et Vie]] n°1016, mai 2002</ref>
==Approches candidates==
Un certain nombre de propositions ont été avancées pour aborder le problème :
* La première tentative de ''guérir'' la [[renormalisation|non-renormalisabilité]] de la gravitation a été de rajouter l'ingrédient de la [[supersymétrie]] afin de relier le comportement du graviton à celui des autres particules de [[spin]] plus petit et adoucir ainsi les divergences de la théorie. Le résultat porte le nom de théorie de [[supergravité]]. Malheureusement, malgré un comportement en effet meilleur les divergences restent et ces théories ne sont donc pas bien définies quantiquement.
* La [[théorie des cordes]] ou bien, plus précisément dans sa version [[supersymétrie|supersymétrique]], la [[théorie des supercordes]] est une tentative non seulement de description quantique de la gravité mais également des autres [[interaction élémentaire|interactions fondamentales]] présentes dans le [[modèle standard]] de la [[physique des particules]]. Les différents modèles de la théorie des cordes sont parfaitement définis d'un point de vue quantique et de façon remarquable admettent les théories de supergravité comme [[théorie effective|théories effectives]] à basse énergie. En ce sens les théories de cordes fournissent une description microscopique, on parle aussi de [[complétion ultraviolette]], aux théories de supergravité. C'est la branche de ce domaine la plus active par le nombre des chercheurs et des publications. Une partie des chercheurs travaillant sur la [[gravitation quantique à boucles]] critiquent néanmoins la théorie des cordes dont la place qui lui est accordée est selon eux hégémonique et empêche le développement normal de théories alternatives en l'absence de confirmations expérimentales.
* La [[gravitation quantique à boucles]] introduite par [[Lee Smolin]] et [[Carlo Rovelli]] sur la base du formalisme d'[[Abhay Ashtekar|Ashtekar]] s'attache à présenter une formulation quantique de la gravité explicitement indépendante d'une éventuelle métrique de fond (contrairement à la description actuelle de la théorie des cordes même si elle inclut également la [[symétrie de reparamétrisation]] comme sous ensemble de ses [[symétrie (physique)|symétries]]) ce qui est un effort naturel conforme à l'esprit de la relativité générale. Contrairement à la théorie des cordes, la gravitation quantique à boucle ne se donne pas comme but de décrire également les autres interactions fondamentales. Elle ne se veut donc pas une [[théorie du tout]]. La viabilité de ce projet est contestée par une partie de la communauté des chercheurs en théorie des cordes (voir [[Lubos Motl]] à ce sujet).
* [[Alain Connes]] a récemment proposé l'utilisation de sa [[géométrie non commutative]] pour reconstruire le modèle standard par [[réduction dimensionnelle]] de la [[relativité générale]] sur une [[variété non-commutative]] dans l'esprit de la [[théorie de Kaluza-Klein]] cherchant à reproduire l'[[électromagnétisme]] par réduction dimensionnelle de la relativité générale sur un cercle. Cependant son analyse se base sur une description classique du modèle standard et la quantification de son modèle n'est pas encore développée: ce n'est donc pas encore à proprement parler une description ''quantique'' de la gravité.
* La [[théorie des twisteurs]] de [[Roger Penrose]] introduite dans les années 70 a introduit un nouveau formalisme permettant l'étude des solutions des équations de la [[relativité générale]] et à ce titre aurait pu offrir un meilleur point de départ pour la quantification de celle-ci. Mais les efforts dans ce sens n'ont pas abouti et le projet de quantification par cette voie a été abandonné aujourd'hui. Par contre le formalisme de twisteur reste utile dans le cadre de la relativité et a même retrouvé un regain d'intérêt récemment dans le cadre de l'étude de la [[théorie de Yang-Mills]] via la théorie des cordes (travaux de [[Edward Witten|Witten]] sur ce dernier point).
== Théoriciens de la gravité quantique ==
* [[Abhay Ashtekar]]
* [[John Baez]]
* [[Julian Barbour]]
* [[Martin Bojowald]]
* [[Louis Crane]]
* [[Rodolfo Gambini]]
* [[Brian Greene]]
* [[Peter Higgs]]
* [[Christopher Isham]]
* [[Ted Jacobson]]
* [[Michio Kaku]]
* [[Renate Loll]]
* [[Fotini Markopoulou-Kalamara]]
* [[Roger Penrose]]
* [[Jorge Pullin]]
* [[Carlo Rovelli]]
* [[Lee Smolin]]
* [[Andrew Strominger]]
* [[Thomas Thiemann]]
* [[Edward Witten]]
== Voir aussi ==
* [[Physique théorique]]
* [[Graviton]]
== Liens externes ==
* {{fr}} [http://depire.free.fr/publique/THC/Cordes12.html Une présentation de la gravité quantique]
* {{en}} [http://www.livingreviews.org/Articles/Volume1/1998-1rovelli/ Loop quantum theory] (Carlo Rovelli)
* {{en}} [http://www.cpt.univ-mrs.fr/~rovelli/book.pdf Quantum gravity] (Carlo Rovelli, 347 pages)
* {{en}} [http://arxiv.org/abs/gr-qc/0006061 Notes for a brief history of quantum gravity], juin 2000, Carlo Rovelli
== Notes et références ==
{{Références}}
{{Portail physique}}
[[Catégorie:Gravité quantique|*]]
[[ar:ثقالة كمومية]]
[[bn:কোয়ান্টাম মহাকর্ষ]]
[[ca:Gravetat quàntica]]
[[cs:Kvantová gravitace]]
[[de:Quantengravitation]]
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[[zh:量子引力]]