• Afin de situer un peu le décor dans lequel vont apparaître plus tard la relativité et la théorie quantique, pourrions-nous évoquer tout d’abord comment la physique classique, celle qui va de Galilée et Newton jusqu’au dix-neuvième siècle, se représentait cette matière qui interagit par l’entremise de forces dans l’espace 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 d’atomes, eux-mêmes formés de particules plus petites, etc. Tout cela ressemble à l’emboîtement des pièces d’un jeu de construction. L’image 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 l’entremise 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 l’eau, c’est-à-dire comme une onde. C’est pourquoi on parle de champ de force, un champ étant quelque chose d’étendu dans l’espace. La lumière aussi est conçue comme une onde, voyageant dans toutes les directions à la fois. Il y a d’ailleurs un lien intime entre lumière et force, puisque la lumière est le véhicule de la force électromagnétique (qui elle-même réunit l’électricité 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, c’est-à-dire divers types de rayonnement électromagnétique, leur seule différence étant leur fréquence de vibration. Dans cette vision classique nous avons donc, d’une part, l’aspect corpusculaire et discret de la matière et, de l’autre, l’aspect ondulatoire et continu de la lumière et des forces. Tout cela œuvre dans l’espace et dans le temps, lesquels sont considérés comme complètement indépendants l’un de l’autre. D’un côté, il y a l’espace avec ses trois dimensions et, de l’autre, il y a le temps dont l’écoulement est absolu et identique pour tous. Finalement, et c’est un point très important, cette vision est déterministe. C’est-à-dire que selon cette représentation, l’Univers fonctionne un peu comme un immense jeu de billard ou un gigantesque mécanisme d’horlogerie. Cela signifie que si, en un moment donné, aujourd’hui 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 l’Univers; l’évolution de l’Univers 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? Qu’est-ce qui posait problème dans la vision classique?
Bla bla bla…
• C’est ainsi que nous devons nous résigner à ce que la matière soit faite d’entités bizarres, qui se manifestent tantôt comme des corpuscules lorsqu’elles 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 n’en fait pas de pures abstractions pour autant, et on aurait tort de croire que la matière s’est évanouie en simples équations, puisqu’il reste des expériences bien concrètes et une réalité physique, n’est-il pas vrai?
Bla bla bla…
• Il faudrait peut-être signaler également que ces entités étranges de l’infiniment petit, ces quantons, ne sont plus soumis au même déterminisme rigoureux que les corps massifs de la physique classique. On ne sait pas s’ils ont une trajectoire, une position, ni une vitesse précises. Est-ce que cela veut dire que tout déterminisme a disparu, ou est-ce qu’il reste un déterminisme statistique?
Bla bla bla…
• Pour en revenir à un autre aspect de ma question, est-il exact de dire qu’au niveau microscopique on ne pourrait connaître précisément à la fois la position et la vitesse d’un 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 qu’elle 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 d’Einstein, qui pour sa part a radicalement transformé la conception qu’on se faisait du temps et de l’espace en tant qu’absolus séparés et stables, formant une sorte de scène dans le cadre de laquelle se déroulerait le devenir de l’Univers. Comment cela s’est-il passé et à quoi cela a-t-il abouti?
Bla bla bla…
• Une autre particularité de ce nouveau continuum d’espace-temps à quatre dimensions, c’est qu’il n’est plus indépendant de la matière qui l’occupe. Si je mets une masse considérable dans un endroit quelconque de l’Univers, il va se produire une déformation de l’espace-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 l’espace et le temps, la théorie d’Einstein leur en substitue de nouveaux, tels la vitesse de la lumière ou l’espace-temps. Qu’en 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 n’avais pas encore abordé. Répétons tout d’abord, parce que c’est un point crucial, qu’il est vérifié quotidiennement en laboratoire qu’aucune substance ordinaire ne peut dépasser la vitesse de la lumière: toutes les formes d’énergie 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 (c’est le fameux effet EPR). La relativité serait-elle prise en défaut? Non, car ces influences ne transportent pas d’énergie. Elles ne sont ni matérielles ni énergétiques. Elles sont autres. C’est justement ce genre d’influence 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 qu’elles ne peuvent transporter d’énergie, 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 aujourd’hui un message dans l’espace, 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, c’est-à-dire avant d’être parti! Voyez-vous le paradoxe? Supposons que c’est le tirage de la loto aujourd’hui, je pourrais noter le numéro gagnant et me l’envoyer dans le passé pour le recevoir hier (avant le tirage) et ainsi m’acheter un billet gagnant pour le tirage du lendemain (aujourd’hui). Je serais sûr de gagner! La théorie de la relativité prévoit donc toutes sortes d’incohérences si une communication supralumineuse était possible. Comme l’influence EPR ne permet pas de communications, la cohésion du monde physique qui nous entoure n’est pas remise en cause. (Cette impossibilité de communiquer est reliée à l’indéterminisme quantique. En effet, puisque l’effet EPR est aléatoire, il est impossible à contrôler et ne peut donc pas servir à communiquer. C’est une autre façon de voir que l’indéterminisme quantique est d’une nature fondamentale.) Toutefois, même si l’effet 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 l’espace-temps. Non pas que les idées d’Einstein sur l’espace et le temps soient fausses – elles seront toujours valides à un niveau macroscopique puisqu’il est démontré que le temps peut ralentir –, mais elles ne sont peut-être que l’approximation de quelque chose d’encore 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 cœur. Toutes ces grandes théories abstraites de la physique moderne, portant sur l’infiniment petit et l’infiniment grand, se sont vues contraintes de s’éloigner de nos intuitions courantes et de produire, en particulier grâce au mode de pensée mathématique, des concepts nouveaux. Cela donne l’impression d’un lien profond, pour ne pas dire mystérieux, entre physique et mathématiques. Qu’en pensez-vous?
Bla bla bla…
• La dernière étape dans votre texte d’ouverture, c’est d’affirmer que ces deux grandes théories que nous venons d’évoquer rapidement, physique quantique et relativité, ne sont pas entièrement compatibles. L’un 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 l’histoire de la physique?
Je dirais que la première unification est celle de Newton. Avant lui, on avait l’impression qu’il 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 c’était 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 d’années, 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 d’une seule et unique force qu’on appelle électromagnétique. Maxwell a donc unifié ces deux forces, et par surcroît il a montré – autre genre d’unification – que la lumière, qu’on croyait être un phénomène indépendant des forces électrique et magnétique, n’était en réalité qu’une manifestation de la force électromagnétique. Il a ainsi prédit l’existence d’autres formes d’ondes électromagnétiques, invisibles celles-là, telles que les ondes-radio – découvertes par la suite expérimentalement. Ensuite, comme nous l’avons dit, au début du siècle, Einstein a unifié l’espace et le temps dans le concept d'espace-temps, ainsi que la masse et l’énergie dans la relation E = mc2. Finalement, dans les années vingt, comme on l’a vu, la théorie quantique a unifié les concepts d’onde 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, d’Einstein et celle de la théorie quantique (Bohr, Heisenberg, Schrödinger, Dirac, etc.). Les deux premières paraissent aujourd’hui banales, mais tel n’est 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 d’entités 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 d’équations. Ce processus de simplification n’est pas qu’une 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 d’une seule équation ou d’une seule théorie. Comme on l'a dit, tous les phénomènes physiques connus s’expliquent en termes de quatre forces fondamentales. Trois d’entre elles agissent à l’échelle microscopique (les forces électromagnétique, nucléaire et faible) et une agit à l’échelle 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 d’Einstein (qui englobe celle de Newton).
• Parfait. Mais à présent, quelle est la source de la difficulté d’une semblable synthèse entre théorie quantique et relativité?
L’unification de ces deux théories correspondrait à une unification complète de toutes les forces de la nature. Ces dernières n’apparaîtraient alors que comme les différents aspects d’une 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 d’une centaine d’atomes, eux-mêmes s’expliquant en termes de seulement trois particules (proton, neutron, électron). Ainsi, l’infinie richesse de la nature n’est que le résultat d’innombrables agencements de quelques entités de base. Voilà bien une simplification phénoménale. Pourquoi ne pas aller plus loin et tenter de tout expliquer à partir d’une seule particule, sorte de superparticule sous-jacente à toutes les autres? Tel serait le but d’une Théorie Unifiée, tout décrire à partir d’une seule superforce agissant sur une unique superparticule. Cela peut sembler une étape naturelle, mais il se présente alors une difficulté extrêmement importante. Tout d’abord, remarquons que toutes les unifications antérieures concernaient des forces agissant dans le monde microscopique, c’est d’ailleurs pourquoi elles ont eu lieu dans le cadre de la théorie quantique, tandis que la dernière unification concerne la gravité, dont l’action s’étend à l’échelle du cosmos. Voilà une première difficulté, puisqu’on cherche maintenant à unifier l’infiniment petit et l’infiniment grand. Mais ce n’est pas tout. Il y a un obstacle encore plus important, qui semble presque être une incompatibilité de principe. Les forces quantiques agissent dans l’espace 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 l’avons dit, est différente, elle n’existe pas en tant que telle: elle est plutôt une manifestation de la déformation de l’espace-temps. Par conséquent, si l’on imagine qu’il existe des particules transmettant l’interaction gravitationnelle (et ce qu’on appelle des gravitons), elles ne peuvent pas être des particules ordinaires évoluant dans l’espace et le temps, elles doivent être des particules constituant l’espace et le temps eux-mêmes! Vous voyez un peu le problème: nous avons des particules associées aux forces quantiques qui vivent dans l’espace et le temps, et d’autres, associées à la force gravitationnelle, qui sont l’espace 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 l’Univers, la matière et les forces sont les "acteurs" tandis que l’espace 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 (l’espace-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 l’espace et du temps. L’unification de ces deux théories ira encore beaucoup plus loin, l’application des idées quantiques à l’espace et au temps mettra en cause les notions mêmes d’espace et de temps. L’écoulement du temps, par exemple, qui nous semble un concept fondamental, ne deviendra peut-être qu’un effet secondaire de quelque chose de beaucoup plus fin et de plus profond, dont on n’a aucune idée à l’heure actuelle.
• Mais une telle synthèse entre des concepts si éloignés est peut-être tout simplement impossible. Après tout, les champs d’action de la théorie quantique et de la relativité générale sont tellement différents.
Une telle synthèse finale est sûrement possible. Tout d’abord, il y a déjà quelques ébauches qui semblent très prometteuses! Deuxièmement, rappelez-vous l’effet EPR: nous avons signalé que sa simple existence implique une remise en cause radicale des fondations mêmes de la structure de l’espace-temps. La mise en question des notions d’espace et de temps est donc déjà latente. Troisièmement, les champs d’action de la théorie quantique et de la relativité générale ne sont pas nécessairement toujours différents. Il est vrai qu’à première vue ces deux théories semblent complémentaires en ce sens qu’elles gouvernent deux catégories de phénomènes distincts: les uns microscopiques, les autres macroscopiques. On pourrait alors penser qu’il suffit toujours de choisir l’une ou l’autre de ces deux théories pour expliquer n’importe quel phénomène, et donc que leur synthèse n’est pas nécessaire. En réalité cela n’est 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 d’action de la relativité générale est bien le macroscopique. Mais il y a une exception fondamentale: au moment du Big Bang, au moment où tout l’Univers observable était concentré dans un volume infiniment petit. À cet instant, l’Univers était à la fois massif et microscopique! Par conséquent, pour discuter rigoureusement du début de l’Univers, 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 l’expansion de l’Univers n’est pas une expansion de la matière dans l’espace et le temps, mais bien une expansion dans l’espace-temps lui-même. Par conséquent, au moment du Big Bang, ce n’est pas la matière qui a été créée dans un espace-temps préexistant, mais bien l’espace et le temps eux-mêmes qui sont apparus. Ainsi, une Théorie Unifiée devrait pouvoir, entre autres, décrire l’émergence du phénomène de l’écoulement du temps. C’est une autre façon de voir que le temps n’est peut-être qu’un 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 d’être confirmée expérimentalement, elle n’est même pas encore complètement comprise, mais elle semble sérieusement sur la bonne voie. Comme son nom l’indique, la particule fondamentale de cette théorie est une sorte de minuscule corde, d’une 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, l’Univers n’aurait pas seulement quatre dimensions, trois d’espace et une de temps, mais bien dix, c’est-à-dire neuf dimensions d’espace et une de temps! Bien sûr, on peut se demander où seraient cachées ces six dimensions supplémentaires puisqu’on n’en a aucune expérience dans la vie de tous les jours. En fait, elles seraient enroulées sur elles-mêmes de façon tellement serrée qu’elles nous seraient invisibles. Pour les percevoir, il faudrait sonder assez loin dans l’infiniment petit (beaucoup plus loin, malheureusement, que ce que permet la technologie d’aujourd’hui). 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 l’iceberg d’une révolution encore plus importante, car même si ces dimensions additionnelles existaient bel et bien, il s’agirait tout de même de dimensions similaires à celles que nous connaissons bien. Or, comme on l’a dit, une Théorie Unifiée ira encore plus loin, elle remettra en question la notion même d’espace et de temps, c’est-à-dire la notion même de dimension. Bref, l’espace, le temps, les dimensions, n’apparaîtront plus que comme des concepts superficiels ou dérivés. Un peu comme le concept de température, qui peut sembler à première vue fondamental, mais qui n’est en réalité qu’un effet secondaire de l’agitation moléculaire.