Un article dans le Science&Vie de ce mois de septembre m’incite à publier cet essai sur la gravitation.
Un physicien hollandais , Erik Verlinde, grande pointure reconnue dans le monde des physiciens théoriciens bouleverse notre conception de l’univers.
En extrapolant à partir de cette nouvelle théorie notre monde ne serait que la projection d’un gigantesque hologramme. L’information devient le concept fondamental de toute la physique.
Le modèle standard de la physique moderne considère depuis plus d’un demi siècle que notre univers est gouverné par quatre forces fondamentales:
« Quatre interactions élémentaires sont responsables de tous les phénomènes physiques observés dans l’univers, chacune se manifestant par une force dite force fondamentale. Ce sont l’interaction nucléaire forte, l’interaction électromagnétique, l’interaction nucléaire faible et la gravitation. » (ref wikipedia )
Alors que les trois premières interactions sont bien connues et peuvent être unifiées dans le cadre de la mécanique quantique, la gravitation reste un mystère. Elle est très faible comparativement aux autres ( 1038 fois plus faible que l’interaction nucléaire forte ) et n’agit qu’au niveau macroscopique. C’est pourtant elle qui nous maintient au sol et est responsable du balai des planètes autour du soleil.
Grâce à Newton et sa célèbre équation il est possible de mesurer son effet qui est proportionnel au produit des masses et inversement proportionnel au carré de la distance. Son effet est instantané de par la présence de la matière qui exerce une force sur les autres corps dirigée vers son centre de gravité. Longtemps les physiciens se sont demandés quel pouvait être le support de cette force qui se propage à travers le vide. On a donc inventé le concept de l’ether mais Newton lui même n’y croyait pas:
« Que la gravité soit innée, inhérente et essentielle à la matière, en sorte qu’un corps puisse agir sur un autre à distance au travers du vide, sans médiation d’autre chose, par quoi et à travers quoi leur action et force puissent être communiquées de l’un à l’autre est pour moi une absurdité dont je crois qu’aucun homme, ayant la faculté de raisonner de façon compétente dans les matières philosophiques, puisse jamais se rendre coupable[4]. »
Et puis en 1916 Einstein propose une nouvelle théorie sur la gravitation exposée dans la relativité générale. Pour Einstein la gravitation n’est pas une force qui se propage instantanément. Ce serait contraire au principe de la relativité restreinte qui interdit à toute énergie ou information de se propager à une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière dans le vide. Sa théorie implique que la seule présence de la matière dans un espace déforme celui-ci créant des géodésiques invisibles de moindre énergie où tout autre objet est comme piégé au lieu de se propager en ligne droite.
Autre conséquence qui bouleverse notre conception du temps: ce dernier n’est plus une valeur absolue et est aussi déformé par la présence de la matière. Aux abords d’un trou noir une seconde est l’équivalent de plusieurs millions de secondes sur terre. Espace et temps sont indissociables et en fait n’existent que par la présence de la matière.
Toute séduisante qu’elle soit, la relativité générale ne cadre pas avec le monde de l’infiniment petit et ne peut pas expliquer ce qui s’est passé au moment de la naissance de notre univers c’est à dire au moment du big bang. Dailleurs Einstein ne croyait pas à l’expansion de l’univers ni à la mécanique quantique qui pourtant n’a jamais été mise en défaut pour analyser le monde des particules.
C’ est la théorie des cordes dans les années 1980 qui essaiera d’unifier les quatre forces fondamentales mais aucune expérience ne pourra jamais prouver l’existence de ces cordes. Les dimensions spatiales passent de trois à plus de 11 et cela implique l’existence du graviton qui n’a jamais été mis en évidence.
La situation semble être bloquée depuis cette dernière théorie sauf changement radical de perspective. C’ est ce que propose Erik Verlinde dans un article publié sur arxiv.org. Et si la gravitation n’était tout simplement pas une force fondamentale mais plutôt un phénomène émergent.
Voici une traduction de l’introduction du document:
» De toutes les forces de la nature la gravitation est clairement la plus universelle.
La gravitation influence et est influencée par tout ce qui porte de l’énergie, et est intimement liée à la structure de l’espace-temps.
La nature universelle de la gravitation est également démontrée par le fait que ses équations de base sont très proches des lois de la thermodynamique et de l’hydrodynamique.
Pourtant jusqu’à présent, il n’a pas eu d’explication claire de cette ressemblance.La gravitation domine sur les grandes distances, mais est très faible à petite échelle.
En fait, ses lois fondamentales ont été testées uniquement jusqu’à des distances de l’ordre du millimètre. La gravitation est également beaucoup plus difficile à intégrer dans le cadre de la mécanique quantique, alors que toutes les autres le sont.
La recherche d’unification de la gravitation avec les autres forces de la nature qui se situent au niveau des particules n’est peut être pas la bonne approche. Elle est connue pour mener à bien des problèmes, paradoxes et énigmes.
La théorie des cordes, dans une certaine mesure, a résolu certains problèmes, mais pas complètement. Et nous nous posons encore des questions sur ce que cette théorie a encore a nous apprendre.
Beaucoup de physiciens croient que la gravitation et la géométrie de l’espace-temps sont des phénomènes émergents.
La théorie des cordes et ses développements connexes ont donné plusieurs indications dans ce sens. Des indices particulièrement importants proviennent de l’AdS / CFT, ou, plus généralement,de la correspondance entre les cordes ouvertes/fermées. Cette correspondance conduit à une dualité entre les théories qui contiennent la gravité et celles qui ne la contiennent pas.
Cela met en évidence le fait que la gravité peut émerger à partir de phénomènes microscopique sous-jacents.
L’universalité de la gravitation suggère que son émergence doit être comprise à partir de principes généraux qui sont indépendants des détails spécifiques qui régissent la description microscopique sous-jacente.
Dans cet article, nous ferons valoir que la notion centrale nécessaire pour comprendre la gravité est l’information. Plus précisément, c’est la quantité d’informations associée à la matière et à sa localisation, quelle que soit la forme que cela peut prendre par rapport à une théorie microscopique, et que l’on peut qualifier en terme d’entropie.
Les modifications de cette entropie quand la matière est déplacée conduit à une force entropique, qui, comme nous allons le montrer prend la forme de la gravitation.
Son origine donc réside dans la tendance de la théorie microscopique à maximiser son entropie.
L’hypothèse la plus importante sera celle de l’information associée à une partie de l’espace. Cette information obéit au principe holographique. La preuve la plus forte du principe holographique découle de la physique du trou noir et de la correspondance AdS / CFT.
Ces développements théoriques indiquent qu’au moins une partie des degrés de liberté microscopiques peut être représentée holographiquement soit sur les limites de l’espace-temps ou sur les horizons.
Cependant, le concept de l’holographie semble être beaucoup plus général. Par exemple, dans la correspondance AdS / CFT on peut se déplacer vers l’intérieur des limites par l’utilisation d’une version holographique du groupe de renormalisation. De même, en physique du trou noir, les informations peuvent être stockées sur des horizons étirés.
En outre, en se référant à des observateurs accélérés, on peut en principe trouver des écrans holographiques n’importe où dans l’espace. Dans tous ces cas, l’émergence de la direction holographique est accompagnée de redshifts, et est liée à une granulité. Si toutes ces idées combinées sont correctes, il devrait exister un cadre général qui décrit comment l’espace en émerge avec la gravitation
Habituellement l’holographie est étudiée dans des contextes relativistes. Cependant, la force gravitationnelle est également présente dans notre monde non-relativiste quotidien. L’origine de la gravité, quelle qu’elle soit, devrait donc naturellement aussi expliquer pourquoi cette force apparaît comme elle le fait, et obéit à la loi de la gravitation de Newton.
En fait, de part l’émergence de l’espace, on devrait pouvoir déduire les autres lois de Newton, parce que les concepts standards comme la position, la vitesse, l’accélération, la masse et la force sont loin d’être évidents. Ainsi, dans un tel contexte les lois de la mécanique doivent apparaître avec l’espace lui-même. Même un concept de base comme l’inertie n’est pas évident, et il doit être expliqué à nouveau.
Dans cet article nous présentons un scénario holographique pour expliquer l’émergence de l’espace et traiter des causes de la gravité et de l’inertie, qui sont reliés par le principe d’équivalence.
A partir des premiers principes et en utilisant des concepts indépendants de l’espace comme l’énergie, l’entropie et la température, il est démontré que les lois de Newton apparaissent naturellement et qu’elles sont pratiquement inévitables. La gravité est expliquée comme une force entropique causée par un changement dans la quantité d’informations associée à la position de la matière.
Un aspect essentiel est que seul un nombre fini de degrés de liberté est associé avec un volume d’espace donné, comme l’exige le principe holographique.
L’énergie, qui est équivalente à la matière, est répartie uniformément sur les degrés de liberté, et donc conduit à une température. Le produit de la température par la variation d’entropie due au déplacement de la matière se révèle être égal au travail effectué par la force gravitationnelle. De cette façon, la loi de Newton sur la gravité se dégage d’une manière étonnamment simple.
Le principe holographique n’a pas été facile d’extraire des lois de Newton et Einstein, et est profondément caché en eux. Inversement, à partir de l’holographie, nous trouvons ces lois bien connues directement et inévitablement. En inversant la logique qui conduit des lois de la gravité vers l’holographie, nous obtenons une image beaucoup plus nette et plus simple de ce qu’est la gravité. Par exemple, cela permet de trouver pourquoi la gravité permet une action à distance même quand il n’y a aucun champ de force de médiation.
Les idées présentées sont compatibles avec notre connaissance de la théorie des cordes, mais si elles sont correctes elles devraient avoir des implications importantes pour cette théorie. En particulier, la description de la gravité comme étant due à l’échange de cordes fermées ne peuvent plus être valide. En fait, il semble que les cordes doivent être émergentes aussi. »
Cette vision est bouleversante non seulement au point de vue scientifique mais également au niveau philosophique. Tout ce que l’univers contient, nous compris, n’a de réalité que l’information qui les décrit.
C’est assez étonnant de se rappeler dans cette perspective le prologue de l’évangile de Jean:
« Au commencement était le Verbe, et le Verbe était en Dieu, et le Verbe était Dieu »
Remplacez le Verbe par Information et vous avez en substance le principe holographique…
Astro 