Afin de situer un peu le décor dans lequel vont apparaître plus tard la relativité et la théorie quantique, pourrions-nous évoquer tout dabord comment la physique classique, celle qui va de Galilée et Newton jusquau dix-neuvième siècle, se représentait cette matière qui interagit par lentremise de forces dans lespace et le temps?
Disons que, selon la vision classique, le monde est construit un peu comme un jeu de Lego. La matière est faite de molécules, elles-mêmes composées datomes, eux-mêmes formés de particules plus petites, etc. Tout cela ressemble à lemboîtement des pièces dun jeu de construction. Limage qui en résulte est que ces particules seraient de petits grains de matière, comparables en quelque sorte à de minuscules billes ou boules de billard. Cette matière interagit par lentremise de forces. Ces dernières, contrairement aux particules qui sont des objets localisés, apparaissent comme des entités étendues, pouvant se propager en même temps dans toutes les directions, comme une vague à la surface de leau, cest-à-dire comme une onde. Cest pourquoi on parle de champ de force, un champ étant quelque chose détendu dans lespace. La lumière aussi est conçue comme une onde, voyageant dans toutes les directions à la fois. Il y a dailleurs un lien intime entre lumière et force, puisque la lumière est le véhicule de la force électromagnétique (qui elle-même réunit lélectricité et le magnétisme). Notons au passage que la lumière, au sens général, englobe beaucoup de phénomènes. Ainsi, les ondes-radio, les ondes-télé, les micro-ondes, les rayons infrarouges, les ultraviolets et les rayons X sont tous des formes de lumière, cest-à-dire divers types de rayonnement électromagnétique, leur seule différence étant leur fréquence de vibration. Dans cette vision classique nous avons donc, dune part, laspect corpusculaire et discret de la matière et, de lautre, laspect ondulatoire et continu de la lumière et des forces. Tout cela uvre dans lespace et dans le temps, lesquels sont considérés comme complètement indépendants lun de lautre. Dun côté, il y a lespace avec ses trois dimensions et, de lautre, il y a le temps dont lécoulement est absolu et identique pour tous. Finalement, et cest un point très important, cette vision est déterministe. Cest-à-dire que selon cette représentation, lUnivers fonctionne un peu comme un immense jeu de billard ou un gigantesque mécanisme dhorlogerie. Cela signifie que si, en un moment donné, aujourdhui par exemple, on connaissait la position de tous les objets ainsi que leur vitesse, on pourrait en déduire par le calcul tout le futur de lUnivers; lévolution de lUnivers serait ainsi complètement déterminée. Voilà pour la vision classique des choses.
Sur cette toile de fond va se produire un premier bouleversement, celui de la théorie quantique. Pourquoi est-elle apparue? Quest-ce qui posait problème dans la vision classique?
Bla bla bla
Cest ainsi que nous devons nous résigner à ce que la matière soit faite dentités bizarres, qui se manifestent tantôt comme des corpuscules lorsquelles frappent un écran et tantôt comme des ondes quand elles passent, tel un nuage diffus ou un spectre nébuleux, par deux fentes à la fois même si notre logique courante a du mal à réconcilier les deux. Mais tout cela nen fait pas de pures abstractions pour autant, et on aurait tort de croire que la matière sest évanouie en simples équations, puisquil reste des expériences bien concrètes et une réalité physique, nest-il pas vrai?
Bla bla bla
Il faudrait peut-être signaler également que ces entités étranges de linfiniment petit, ces quantons, ne sont plus soumis au même déterminisme rigoureux que les corps massifs de la physique classique. On ne sait pas sils ont une trajectoire, une position, ni une vitesse précises. Est-ce que cela veut dire que tout déterminisme a disparu, ou est-ce quil reste un déterminisme statistique?
Bla bla bla
Pour en revenir à un autre aspect de ma question, est-il exact de dire quau niveau microscopique on ne pourrait connaître précisément à la fois la position et la vitesse dun quanton?
Bla bla bla
Pour conclure au sujet de cette première révolution conceptuelle dans la physique du vingtième siècle, la théorie quantique, vous nous dites quelle a unifié les notions de matière et de force. En quel sens?
Bla bla bla
En parlant de la gravitation, nous introduisons notre deuxième théorie, la relativité dEinstein, qui pour sa part a radicalement transformé la conception quon se faisait du temps et de lespace en tant quabsolus séparés et stables, formant une sorte de scène dans le cadre de laquelle se déroulerait le devenir de lUnivers. Comment cela sest-il passé et à quoi cela a-t-il abouti?
Bla bla bla
Une autre particularité de ce nouveau continuum despace-temps à quatre dimensions, cest quil nest plus indépendant de la matière qui loccupe. Si je mets une masse considérable dans un endroit quelconque de lUnivers, il va se produire une déformation de lespace-temps autour de cette masse, est-ce que je me trompe?
Bla bla bla
Certains auteurs soulignent que le nom de relativité est bien trompeur, dans la mesure où, une fois détrônés les absolus antérieurs comme lespace et le temps, la théorie dEinstein leur en substitue de nouveaux, tels la vitesse de la lumière ou lespace-temps. Quen pensez-vous?
Bla bla bla
Mais n'a-t-on pas découvert que certaines influences quantiques semblaient se propager plus vite que la lumière?
Voilà un aspect fascinant de la théorie quantique que je navais pas encore abordé. Répétons tout dabord, parce que cest un point crucial, quil est vérifié quotidiennement en laboratoire quaucune substance ordinaire ne peut dépasser la vitesse de la lumière: toutes les formes dénergie pure (ondes-radio, rayons X, lumière, etc.) voyagent toujours exactement à la vitesse de la lumière, tandis que toutes les sortes de particules de matière (protons, neutrons, électrons, etc.) voyagent toujours en deçà de cette vitesse. Cela dit, certaines influences quantiques semblent se propager instantanément, donc plus vite que la lumière, et cela aussi est vérifié en laboratoire (cest le fameux effet EPR). La relativité serait-elle prise en défaut? Non, car ces influences ne transportent pas dénergie. Elles ne sont ni matérielles ni énergétiques. Elles sont autres. Cest justement ce genre dinfluence quantique ni matérielle ni énergétique qui permet de tester les fameuses bombes de notre exemple précédent sans les faire exploser. Comme on le voit, il existe un certain niveau de réalité quantique, différent de celui de la physique classique, qui n'est pas affecté par la limitation de la vitesse de la lumière. Toutefois, parce quelles ne peuvent transporter dénergie, ces influences instantanées ne peuvent servir à envoyer des messages; il est donc impossible de les utiliser pour communiquer. Ce point est crucial. En effet, selon la relativité, si on envoyait aujourdhui un message dans lespace, vers une autre planète, à une vitesse plus grande que celle de la lumière, ce message, après avoir été ré-émis de cette planète vers la Terre, pourrait revenir sur la Terre hier, cest-à-dire avant dêtre parti! Voyez-vous le paradoxe? Supposons que cest le tirage de la loto aujourdhui, je pourrais noter le numéro gagnant et me lenvoyer dans le passé pour le recevoir hier (avant le tirage) et ainsi macheter un billet gagnant pour le tirage du lendemain (aujourdhui). Je serais sûr de gagner! La théorie de la relativité prévoit donc toutes sortes dincohérences si une communication supralumineuse était possible. Comme linfluence EPR ne permet pas de communications, la cohésion du monde physique qui nous entoure nest pas remise en cause. (Cette impossibilité de communiquer est reliée à lindéterminisme quantique. En effet, puisque leffet EPR est aléatoire, il est impossible à contrôler et ne peut donc pas servir à communiquer. Cest une autre façon de voir que lindéterminisme quantique est dune nature fondamentale.) Toutefois, même si leffet EPR ne conduit à aucun paradoxe apparent dans la vie de tous les jours, le simple fait de son existence implique une remise en question des fondements mêmes de la structure de lespace-temps. Non pas que les idées dEinstein sur lespace et le temps soient fausses elles seront toujours valides à un niveau macroscopique puisquil est démontré que le temps peut ralentir , mais elles ne sont peut-être que lapproximation de quelque chose dencore plus étrange.
Si cela vous convient, je voudrais que nous fassions ici une pose dans notre exposé, pour revenir sur un point que vous avez signalé et qui me tient beaucoup à cur. Toutes ces grandes théories abstraites de la physique moderne, portant sur linfiniment petit et linfiniment grand, se sont vues contraintes de séloigner de nos intuitions courantes et de produire, en particulier grâce au mode de pensée mathématique, des concepts nouveaux. Cela donne limpression dun lien profond, pour ne pas dire mystérieux, entre physique et mathématiques. Quen pensez-vous?
Bla bla bla
La dernière étape dans votre texte douverture, cest daffirmer que ces deux grandes théories que nous venons dévoquer rapidement, physique quantique et relativité, ne sont pas entièrement compatibles. Lun des grands problèmes de la physique théorique contemporaine, ce serait justement de tenter de les réconcilier. Pour commencer sur ce point, et afin de nous montrer les bouleversements potentiels en jeu, pourriez-vous nous rappeler quelques exemples de telles unifications dans lhistoire de la physique?
Je dirais que la première unification est celle de Newton. Avant lui, on avait limpression quil existait deux domaines de la réalité complètement différents et indépendants: une physique terrestre (associée aux humains) et une physique céleste (rattachée au divin). Newton a montré que cétait tout à fait la même chose, que la loi qui gouverne le mouvement des astres dans le ciel est exactement la même que celle qui rend compte de la chute des pommes sur Terre, la fameuse loi de la gravitation universelle. Première unification donc, il y a environ trois cents ans. Ensuite, il y a une centaine dannées, Maxwell a démontré que les forces électrique et magnétique, apparemment très différentes dans la vie de tous les jours, ne sont en fait que deux facettes dune seule et unique force quon appelle électromagnétique. Maxwell a donc unifié ces deux forces, et par surcroît il a montré autre genre dunification que la lumière, quon croyait être un phénomène indépendant des forces électrique et magnétique, nétait en réalité quune manifestation de la force électromagnétique. Il a ainsi prédit lexistence dautres formes dondes électromagnétiques, invisibles celles-là, telles que les ondes-radio découvertes par la suite expérimentalement. Ensuite, comme nous lavons dit, au début du siècle, Einstein a unifié lespace et le temps dans le concept d'espace-temps, ainsi que la masse et lénergie dans la relation E = mc2. Finalement, dans les années vingt, comme on la vu, la théorie quantique a unifié les concepts donde et de particule, ou, si vous voulez, de matière et de force (excluant la gravité). Remarquez que chacune de ces unifications a provoqué en son temps une révolution: celle de Newton, de Maxwell, dEinstein et celle de la théorie quantique (Bohr, Heisenberg, Schrödinger, Dirac, etc.). Les deux premières paraissent aujourdhui banales, mais tel nest pas le cas, loin de là, des deux dernières. Comme on le voit, certains concepts apparemment différents dans la vie de tous les jours ne sont en réalité que diverses facettes dentités plus abstraites. Ainsi, à mesure que la physique se développe, on réussit à expliquer de plus en plus de phénomènes à partir de moins en moins déquations. Ce processus de simplification nest pas quune démarche "esthétique" puisque chaque unification provoque en général une remise en question de notre vision du monde. Naturellement, le but ultime est de réussir à tout expliquer à partir dune seule équation ou dune seule théorie. Comme on l'a dit, tous les phénomènes physiques connus sexpliquent en termes de quatre forces fondamentales. Trois dentre elles agissent à léchelle microscopique (les forces électromagnétique, nucléaire et faible) et une agit à léchelle cosmique (la gravitation). Les trois premières ont été unifiées dans le cadre de la théorie quantique, et la quatrième est décrite par la théorie de la relativité générale dEinstein (qui englobe celle de Newton).
Parfait. Mais à présent, quelle est la source de la difficulté dune semblable synthèse entre théorie quantique et relativité?
Lunification de ces deux théories correspondrait à une unification complète de toutes les forces de la nature. Ces dernières napparaîtraient alors que comme les différents aspects dune unique "superforce". On a déjà réussi à tout ramener au jeu de deux forces la force unifiée quantique et la gravité. Il reste une dernière étape, unifier ces deux dernières forces. De la même façon, la diversité apparemment si complexe de la nature qui nous entoure se résume pourtant au simple jeu dune centaine datomes, eux-mêmes sexpliquant en termes de seulement trois particules (proton, neutron, électron). Ainsi, linfinie richesse de la nature nest que le résultat dinnombrables agencements de quelques entités de base. Voilà bien une simplification phénoménale. Pourquoi ne pas aller plus loin et tenter de tout expliquer à partir dune seule particule, sorte de superparticule sous-jacente à toutes les autres? Tel serait le but dune Théorie Unifiée, tout décrire à partir dune seule superforce agissant sur une unique superparticule. Cela peut sembler une étape naturelle, mais il se présente alors une difficulté extrêmement importante. Tout dabord, remarquons que toutes les unifications antérieures concernaient des forces agissant dans le monde microscopique, cest dailleurs pourquoi elles ont eu lieu dans le cadre de la théorie quantique, tandis que la dernière unification concerne la gravité, dont laction sétend à léchelle du cosmos. Voilà une première difficulté, puisquon cherche maintenant à unifier linfiniment petit et linfiniment grand. Mais ce nest pas tout. Il y a un obstacle encore plus important, qui semble presque être une incompatibilité de principe. Les forces quantiques agissent dans lespace et dans le temps, et donc les particules qui échangent ces forces évoluent dans cet espace et dans ce temps. Mais la force de gravité, nous lavons dit, est différente, elle nexiste pas en tant que telle: elle est plutôt une manifestation de la déformation de lespace-temps. Par conséquent, si lon imagine quil existe des particules transmettant linteraction gravitationnelle (et ce quon appelle des gravitons), elles ne peuvent pas être des particules ordinaires évoluant dans lespace et le temps, elles doivent être des particules constituant lespace et le temps eux-mêmes! Vous voyez un peu le problème: nous avons des particules associées aux forces quantiques qui vivent dans lespace et le temps, et dautres, associées à la force gravitationnelle, qui sont lespace et le temps. Il y a une différence conceptuelle énorme! Une autre façon de voir les choses est la suivante: on peut dire que, dans lUnivers, la matière et les forces sont les "acteurs" tandis que lespace et le temps forment la "scène". La théorie quantique a unifié les différentes apparences des acteurs (matière, force, onde, particule, lumière, etc.) tandis que la relativité a uni les deux aspects de la scène en une seule entité (lespace-temps). Il reste à unifier les acteurs et la scène, ce qui est une tout autre affaire. La théorie quantique a remis en question notre vision de la matière, tandis que la relativité a bouleversé notre conception de lespace et du temps. Lunification de ces deux théories ira encore beaucoup plus loin, lapplication des idées quantiques à lespace et au temps mettra en cause les notions mêmes despace et de temps. Lécoulement du temps, par exemple, qui nous semble un concept fondamental, ne deviendra peut-être quun effet secondaire de quelque chose de beaucoup plus fin et de plus profond, dont on na aucune idée à lheure actuelle.
Mais une telle synthèse entre des concepts si éloignés est peut-être tout simplement impossible. Après tout, les champs daction de la théorie quantique et de la relativité générale sont tellement différents.
Une telle synthèse finale est sûrement possible. Tout dabord, il y a déjà quelques ébauches qui semblent très prometteuses! Deuxièmement, rappelez-vous leffet EPR: nous avons signalé que sa simple existence implique une remise en cause radicale des fondations mêmes de la structure de lespace-temps. La mise en question des notions despace et de temps est donc déjà latente. Troisièmement, les champs daction de la théorie quantique et de la relativité générale ne sont pas nécessairement toujours différents. Il est vrai quà première vue ces deux théories semblent complémentaires en ce sens quelles gouvernent deux catégories de phénomènes distincts: les uns microscopiques, les autres macroscopiques. On pourrait alors penser quil suffit toujours de choisir lune ou lautre de ces deux théories pour expliquer nimporte quel phénomène, et donc que leur synthèse nest pas nécessaire. En réalité cela nest pas tout à fait exact, car la relativité générale est en fait une théorie des phénomènes massifs. Bien sûr, généralement, les objets massifs sont gros, et donc le domaine daction de la relativité générale est bien le macroscopique. Mais il y a une exception fondamentale: au moment du Big Bang, au moment où tout lUnivers observable était concentré dans un volume infiniment petit. À cet instant, lUnivers était à la fois massif et microscopique! Par conséquent, pour discuter rigoureusement du début de lUnivers, on doit utiliser en même temps la relativité générale et la théorie quantique. Il faut donc une théorie qui les englobe toutes les deux, une Théorie Unifiée justement. Rappelons que lexpansion de lUnivers nest pas une expansion de la matière dans lespace et le temps, mais bien une expansion dans lespace-temps lui-même. Par conséquent, au moment du Big Bang, ce nest pas la matière qui a été créée dans un espace-temps préexistant, mais bien lespace et le temps eux-mêmes qui sont apparus. Ainsi, une Théorie Unifiée devrait pouvoir, entre autres, décrire lémergence du phénomène de lécoulement du temps. Cest une autre façon de voir que le temps nest peut-être quun effet secondaire de quelque chose de plus profond. À ce jour, le candidat le plus prometteur de la Théorie Unifiée est la théorie des Supercordes (ou sa généralisation, la théorie des Membranes). Cette théorie est loin dêtre confirmée expérimentalement, elle nest même pas encore complètement comprise, mais elle semble sérieusement sur la bonne voie. Comme son nom lindique, la particule fondamentale de cette théorie est une sorte de minuscule corde, dune longueur infiniment petite, qui peut vibrer de différentes façons. Les diverses particules élémentaires usuelles ne seraient alors que différents modes de vibration de cette corde primordiale un peu comme les diverses notes produites par une même corde de guitare. Ainsi, une seule entité, cette supercorde, expliquerait toutes les particules. Fait plutôt stupéfiant, selon cette théorie, lUnivers naurait pas seulement quatre dimensions, trois despace et une de temps, mais bien dix, cest-à-dire neuf dimensions despace et une de temps! Bien sûr, on peut se demander où seraient cachées ces six dimensions supplémentaires puisquon nen a aucune expérience dans la vie de tous les jours. En fait, elles seraient enroulées sur elles-mêmes de façon tellement serrée quelles nous seraient invisibles. Pour les percevoir, il faudrait sonder assez loin dans linfiniment petit (beaucoup plus loin, malheureusement, que ce que permet la technologie daujourdhui). Les forces quantiques seraient alors vues comme des manifestations du mouvement des particules dans ces dimensions enroulées. Toutefois, malgré son caractère spectaculaire, cette idée de dimensions supplémentaires ne serait de toute façon que la pointe de liceberg dune révolution encore plus importante, car même si ces dimensions additionnelles existaient bel et bien, il sagirait tout de même de dimensions similaires à celles que nous connaissons bien. Or, comme on la dit, une Théorie Unifiée ira encore plus loin, elle remettra en question la notion même despace et de temps, cest-à-dire la notion même de dimension. Bref, lespace, le temps, les dimensions, napparaîtront plus que comme des concepts superficiels ou dérivés. Un peu comme le concept de température, qui peut sembler à première vue fondamental, mais qui nest en réalité quun effet secondaire de lagitation moléculaire.