La théorie radicale « post-quantique » qui cherche à résoudre ce qu'Einstein n'a pas pu faire

« Une nouvelle mode est apparue en physique », se plaignait Albert Einstein au début des années 1930.

Cette « mode » n'est autre que la physique quantique ou mécanique quantique. Son existence même mettait en danger la théorie de la relativité générale, la plus grande création d'Einstein, publiée en 1915.

« Si tout cela est vrai, c'est la fin de la physique », a même déclaré le célèbre scientifique. La physique quantique et la relativité générale sont incompatibles.

Près de 100 ans se sont écoulés et aucune des deux théories n'a annulé l'autre. En fait, toutes deux sont les piliers de toutes les avancées de la physique moderne.

La physique quantique a prouvé à maintes reprises qu'elle était la meilleure explication du comportement des plus petites particules de l'univers, telles que les électrons, les gluons et les quarks qui composent les atomes.

Pour sa part, la relativité générale, la théorie moderne de la gravité, s'est avérée être la meilleure description de tout ce qui se passe à grande échelle, du fonctionnement du système solaire et des trous noirs à l'origine de l'univers.

Et pourtant, les deux restent contradictoires l'un par rapport à l'autre. En effet, les règles de la relativité générale fonctionnent parfaitement au niveau des galaxies, ainsi que pour tout ce qui nous entoure et qui est visible : un arbre, un chat, une perle. Mais dès qu'il s'agit de zoomer et d'analyser le comportement d'un objet aussi petit qu'un atome, tout change.

Les chercheurs ne peuvent même pas utiliser les mêmes mathématiques pour expliquer l'une et l'autre théorie. La nature parvient à faire coexister les deux, mais pas la science.

Cette incompatibilité est pour beaucoup l'ultime question sans réponse de la physique.

Einstein et des dizaines de milliers de chercheurs à travers le monde ont tenté de créer une théorie qui réunit la physique quantique et la relativité générale.

C'est ce que beaucoup appellent la théorie du tout, un nom si séduisant qu'il a servi de titre au film biographique primé de Stephen Hawking, l'un des scientifiques de renom qui a tenté - en vain - de trouver le Saint-Graal de la physique.

Aujourd'hui, une nouvelle théorie propose un tournant radical dans cette quête séculaire.

Son nom est moins marketing : il s'agit de la théorie post-quantique de la gravité classique, dirigée par le physicien Jonathan Oppenheim, de l'Institute of Quantum Science and Technology de l'University College London (UCL).

Elle est si révolutionnaire que même certains de ses détracteurs reconnaissent qu'il s'agit de la première approche véritablement originale à voir le jour depuis au moins une décennie.

La quatrième force fondamentale

Aussi contradictoire que cela puisse paraître, l'un des aspects les plus novateurs de la théorie d'Oppenheim est la partie « classique » de son nom.

Jusqu'à présent, l'approche prédominante pour résoudre l'incompatibilité entre la physique quantique et la relativité générale a consisté à essayer de modifier la seconde pour l'adapter à la première.

C'est ce que les physiciens appellent la « quantification », parce qu'elle est convertie en une théorie quantique.

La « quantification » de la relativité générale prend encore plus de sens si l'on pense que les scientifiques ont déjà réussi à le faire avec les trois autres forces fondamentales qui régissent l'univers : la force nucléaire faible, la force nucléaire forte et la force électromagnétique. Seule la gravité n'y est pas parvenue, et ce n'est pas faute d'avoir essayé.

« C'est un problème mathématique très difficile », explique M. Oppenheim à BBC Mundo. « Mais c'est également difficile sur le plan conceptuel, car ces deux théories présentent des différences tellement fondamentales qu'il est très difficile de les réconcilier.

Il explique : « Presque toutes les tentatives ont supposé que nous devions "quantifier" la gravité. Mon sentiment sur les raisons pour lesquelles cette tâche a été si difficile est qu'elle n'est peut-être pas possible et que nous ne visons peut-être pas la bonne chose ».

Avec son équipe, il a donc décidé de changer d'objectif et de « modifier un peu, ou beaucoup, la théorie quantique pour que ces deux systèmes puissent s'accorder ».

Dans sa théorie, publiée en décembre 2023 dans les revues Nature Communications et Physical Review X, la relativité générale reste une théorie non quantique ou classique.

La physicienne Sabine Hossenfelder, du Centre de philosophie mathématique de Munich, qui ne participe pas aux recherches de l'UCL, déclare à BBC Mundo : « C'est une idée très intéressante. Il est très rare, dans ce domaine, de voir naître une nouvelle idée.

Elle a fait partie d'un comité qui a examiné la théorie il y a six ans et, bien qu'elle l'ait trouvée intéressante, elle l'a qualifiée de « très spéculative, immature et vague ».

« J'ai donc été très impressionnée par le résultat obtenu plusieurs années plus tard, car il répondait à presque tous ces points », déclare Mme Hossenfelder, qui précise en souriant : « Mais j'ai toujours quelque chose à redire ».

Deux concepts de base et un concept “inacceptable”

Avant de poursuivre avec la théorie d'Oppenheim, il est important de comprendre le concept de base de la relativité générale et l'une des caractéristiques de la physique quantique qui a le plus perturbé Einstein.

Ce qu'Einstein a fait pour révolutionner la science en 1915, c'est de définir la gravité comme une déformation de l'espace-temps, comme on dit.

La façon la plus simple d'imaginer cela est de penser à un trampoline sur lequel on place une boule lourde, par exemple une boule de billard. Le tissu s'enfonce alors à l'endroit où se trouve la boule.

Nous lançons maintenant une balle plus légère, comme une bille, en essayant de la faire rouler le long du bord du trampoline. Elle décrit alors des cercles de plus en plus petits, se rapprochant de la boule de billard.

Selon la relativité générale, cela ne se produit pas parce que la boule de billard exerce une force d'attraction invisible sur elle, mais parce que la forme du tissu - ou plutôt sa déformation - l'oblige à faire cette courbure.

Dans la théorie d'Einstein, l'espace-temps fait la même chose en quatre dimensions, de sorte que, par exemple, la Terre tourne autour du Soleil.

Oppenheim explique que dans la théorie post-quantique de la gravité classique, « l'espace-temps reste le tissu dans lequel vivent les particules quantiques, tout comme Einstein l'a conçu ».

Ce qui change, c'est que l'espace-temps intègre le caractère aléatoire de la physique quantique, cette caractéristique qui a donné lieu à l'une des phrases les plus célèbres d'Einstein : « Dieu ne joue pas aux dés ».

Einstein pensait que cette « mode » de la physique quantique manquait d'information, mais ce que des décennies d'études ont montré, c'est que le caractère aléatoire n'est pas dû à une erreur dans la théorie ou à un défaut dans les mesures, mais qu'il s'agit d'une caractéristique inhérente au comportement des particules élémentaires.

Oppenheim et son équipe rapprochent la physique quantique et la relativité générale en rendant l'espace-temps intrinsèquement aléatoire.

« Nous avons toujours ce caractère aléatoire dans la théorie quantique, mais il est médiatisé par l'espace-temps lui-même », explique-t-il. En d'autres termes, le tissu lui-même devient aléatoirement fluctuant.

C'est « inacceptable » pour beaucoup de ses collègues. Et c'était probablement inacceptable pour Einstein aussi.

« La structure aléatoire de l'espace-temps est ce qui, dans un sens, lance les dés dans la théorie quantique », déclare Oppenheim, paraphrasant Einstein.

“Gagnant-gagnant”

« Chaque fois que l'on propose une théorie, il faut procéder à une série de vérifications pour s'assurer qu'elle est compatible avec les observations. Ce qui est passionnant, c'est que cette théorie fait des prédictions qui peuvent être testées expérimentalement », explique M. Oppenheim.

« Étant donné que cette théorie exige que l'espace-temps présente des fluctuations, nous pouvons aller les chercher », ajoute-t-il.

Pour ce faire, les chercheurs proposent de mesurer le poids d'une masse avec une extrême précision et de voir s'il est constant ou s'il présente certaines fluctuations.

Par exemple, le Bureau international des poids et mesures en France pèse systématiquement un objet d'exactement un kilo, ce qui a été utilisé pour créer l'étalon mondial de ce qu'est un kilo.

En utilisant les nouvelles technologies de mesure quantique, selon la théorie post-quantique de la gravité classique, le poids apparent d'un tel objet ne serait plus d'un kilo et deviendrait imprévisible.

« Si vous trouvez les fluctuations, vous prouvez que la théorie est vraie, et si vous ne les trouvez pas, vous pouvez la réfuter », explique M. Oppenheim, qui ajoute que "c'est particulièrement excitant".

Mais ce n'est pas tout.

Selon M. Oppenheim, cette nouvelle théorie pourrait répondre à une autre des grandes inconnues de la physique moderne : la nature de la matière noire et de l'énergie noire.

Pour comprendre leur importance, il faut d'abord savoir ce qu'elles ne sont pas.

Toutes les planètes, étoiles et objets cosmiques visibles sont constitués de matière dite normale. Ensemble, ils représenteraient 5 % de l'univers. Le reste est encore un mystère : il s'agit de la matière noire et de l'énergie noire.

Si les fluctuations sont suffisamment importantes, explique M. Oppenheim, « elles seraient de très bons candidats pour ce que nous appelons la matière noire et l'énergie noire. Elles expliqueraient 95 % de l'évolution de l'univers, et pourraient donc avoir un impact considérable ».

Pour sa part, Hossenfelder souligne que l'équipe de l'UCL a développé un cadre mathématique entièrement nouveau pour cette théorie et affirme que son existence même pourrait être utile à d'autres fins.

Bref, l'histoire des sciences est pleine d'applications inattendues. Einstein lui-même a allumé l'étincelle de la physique quantique, qu'il a reniée jusqu'à la fin de sa vie.

« S'il existait quelque chose qui puisse confirmer que ces prédictions sont vraies, ce serait très intéressant et cela inciterait certainement beaucoup de gens à s'y intéresser de plus près », affirme M. Hossenfelder.

Mais la théorie a à peine un an et il ne sera pas facile de renverser des décennies de consensus scientifique avec Einstein à sa tête.

Hossenfelder est sceptique, ce qui, selon elle, la place dans une position « gagnant-gagnant » : gagnant si elle a raison et gagnant si elle a tort, car cela signifierait qu'elle et nous tous assistons à la naissance d'une révolution scientifique.