La logique qui doit sous-tendre une nouvelle physique

La philosophe Karen Crowther étudie comment le tissu espace-temps pourrait émerger de quelque chose de non spatio-temporel.

La recherche de la théorie quantique de la gravité " soulève cette question ", explique Karen Crowther :  " Comment passe-t-on de cette théorie plus fondamentale à l’espace-temps ? "

Ce fut déjà un changement radical, au siècle dernier, de passer de l'espace absolu et du temps universel d'Isaac Newton à l'espace-temps à quatre dimensions d'Albert Einstein, dynamique, flexible, sensible au toucher. La théorie de la relativité générale d'Einstein a montré que la masse et l'énergie déforment la géométrie de l'espace-temps, dessinant d'étranges contours pour l'univers,  soudain devenu un lieu qui peut commencer ou finir.

Les physiciens avaient à peine commencé à comprendre ce changement qu’ils se rendirent compte que la relativité générale contenait les germes de sa propre disparition. La déformation pouvait devenir pathologique, l’espace-temps se courbant sur lui-même jusqu’à se déchirer, créant une brèche appelée singularité. Personne ne pouvait dire si les singularités étaient des déchirures dans l’univers ou des déchirures dans la théorie. Quoi qu’il en soit, l’espace-temps tel que décrit par la relativité générale ne pouvait être l’ingrédient ultime de la réalité. Et en effet, la relativité générale est en conflit avec l’autre théorie profondément réussie du XXe siècle, la mécanique quantique. Les physiciens se sont donc mis en quête d’une théorie plus profonde – une théorie de la gravité quantique – qui pourrait potentiellement décrire le monde au-delà de l’espace et du temps.

Ils sont toujours en quête de cette théorie, mais même s'ils parviennent à la trouver ils auront encore besoin d'autre chose : un pont vers l'espace-temps tel que nous le connaissons. Nous avons besoin non seulement d'une théorie de la gravité quantique, mais aussi d'une théorie de la façon dont la relativité générale en émerge. Avec un pied dans l'espace-temps et l'autre à l'extérieur, à quoi pourrait bien ressembler ce pont ?

Karen Crowther est une philosophe australienne de la physique à l'Université d'Oslo en Norvège. Auteure du manuel Effective Spacetime: Understanding Emergence in Effective Field Theory and Quantum Gravity ( 2016 ), elle fait partie d'une communauté de philosophes qui étudient l'espace-temps émergent et toutes les façons dont ce double concept remet en question nos modes de pensée habituels. Comment, demande-t-elle, pouvons-nous concevoir les lois de la physique, la causalité ou même l'univers sans espace-temps ? Et comment construire un pont vers l'espace-temps lorsque le pont lui-même ne peut pas y vivre

Quanta a interviewé Crowther quant à ce que signifie penser en dehors du cadre spatio-temporel. L'interview est ici condensée et éditée pour plus de clarté.

- En quoi la recherche d’une théorie de la gravité quantique est-elle différente de la science normale ?

- En général, lorsque nous cherchons une nouvelle théorie, nous sommes motivés par une sorte de préoccupation empirique. Nous avons vu quelque chose dans le monde qui ne correspond pas à ce que prédisent nos théories, ou la théorie prédit quelque chose que nous n’observons pas dans le monde. Dans le cas de la gravité quantique, ce n’est pas le cas. Il s’agit plutôt d’une question de cohérence ou d’unification théorique. Nous avons ces deux visions contradictoires : la théorie quantique et la relativité générale. Elles disent des choses différentes sur le monde. Nous voulons donc une certaine cohérence. Mais les endroits [comme l’intérieur des trous noirs ou le Big Bang] où  mettre les deux théories ensemble sont des lieux que nous ne pouvons pas tester directement ou auxquels nous ne pouvons pas accéder. Peut-être pas maintenant, peut-être jamais.

(photo : Crowther donne une conférence intitulée " Pensez par vous-même ! " dans l'auditorium Arne Næss de l'université d'Oslo.)

- Pourquoi les singularités de la relativité générale impliquent-elles que l’espace-temps ne peut pas être la réalité ultime ?

- Nous tendons à considérer ces singularités comme un " trou ", un orifice vide,  ou un " point manquant " de l'espace-temps. Mais ce n'est pas vraiment le cas, car où se situerait pareil vide ? Par définition, il ne se trouve nulle part dans l'espace-temps. Alors, où donc la relativité générale s'effondre-t-elle exactement ? Il n'est pas vraiment possible de répondre à cette question, puisque nous parlons de la rupture de l'espace-temps lui-même.

Un certain genre de singularité sera par exemple une  trajectoire dans l'espace-temps qui tout simplement se termine, ce qui signifie que les objets qui suivent pareille trajectoire peuvent entrer et sortir de l'existence de manière aléatoire. Les singularités introduisent l'imprévisibilité et l'indéterminisme. Voilà qui pourrait indiquer que la relativité générale est incomplète et qu'une théorie de la gravité quantique doit la remplacer.

Ensuite, nous avons les singularités de courbure, qui correspondent à peu près à l'idée d'une courbure de l'espace-temps qui " explose ", qui augmente sans limite. Elles sont également assez inquiétantes, car elles signifieraient qu'existent des forces de marée illimitées capables de tout mettre en lambeaux. Le consensus parmi les physiciens est que ces singularités ne sont que des problèmes de théorie.

- L'idée est que l'espace-temps émerge d'une théorie plus profonde. D'un point de vue philosophique, comment expliquer que l'espace-temps est émergent ?

- Cela signifie qu'il y a quelque chose de plus fondamental, et que l'espace-temps n'existe à notre niveau que comme un genre  d'approximation.

Il existe une idée selon laquelle toutes les explications pointent vers l'infiniment petit. Les petites choses sont plus fondamentales que les grandes, les atomes et les particules quantiques sont plus fondamentaux que les tables et les chaises.

Mais si nous pensons que la gravité quantique décrit une physique non spatio-temporelle, nous ne pouvons plus parler d'échelles de longueur. L'idée même de mesure s'effondre.  La gravité quantique ne peut donc pas être plus fondamentale simplement parce qu'elle décrit des phénomènes plus petits ; elle doit être plus fondamentale parce qu'elle décrit des phénomènes plus nombreux. (Et élargir le cadre ? note de MG).

On craint, comme le dit le philosophe Tim Maudlin , que toute théorie qui ne prend pas en compte l'espace-temps soit empiriquement incohérente. Lorsque nous testons nos théories, nous faisons des expériences dans l'espace et le temps ; nous observons les valeurs d'un cadran, qui est un point spatio-temporel, la position de l'aiguille à un moment donné. Donc, si nous avons une théorie sans espace-temps - qui ne contient pas de choses détectables localement, comment pouvons-nous la tester ?

Le moyen de résoudre ce problème serait alors de récupérer, ou de dériver, l'espace-temps à partir d'un processus-théorie non spatio-temporel. Ici l'émergence est nécessaire pour faire ce lien.

- Comment cela pourrait-il fonctionner ?

- On peut par exemple considérer l’émergence comme une hiérarchie de niveaux. Si on pense aux vagues, à un niveau, il y a des molécules, puis lorsque on en rassemble un grand nombre et qu'on zoome vers une énergie plus faible ou des distances plus grandes, se dessine alors le phénomène émergent de la vague. Dans un cadre spatio-temporel, l’espace-temps serait l'émersion du comportement collectif de ses éléments constitutifs les plus fondamentaux, de " ses atomes " peut-être. Le problème étant que nous sommes réduits à définir l’idée de niveaux en termes de longueurs spatiales.

Une autre idée est celle de l’émergence de quelque chose d'antérieur – par exemple, un papillon émergeant d’une chenille ou d’une chrysalide. Il subit une transformation complète. Ce serait comme parler du Big Bang avant l’apparition de l’espace-temps.

Le véritable défi en matière d'émergence consiste donc à donner sens à la relation entre ce qui émerge et d'où celà émerge. Sans ce lien, pas d'émergence. Et ce lien lui-même ne peut être spatial ou temporel.

- Nos idées habituelles sur l'émergence intègrent déjà l'espace et le temps, et nous avons maintenant besoin d'une nouvelle façon de les appréhender. À quoi cela pourrait-il ressembler ?

- J'aime comprendre cela sous forme de trois caractéristiques : la dépendance, la nouveauté et l'autonomie. La physique moins fondamentale dépend d'une certaine manière d'une physique plus fondamentale – l'espace-temps résultant de la physique de la gravité quantique. Cela serait démontré si la relativité générale pouvait être déduite de la gravité quantique. Mais l'espace-temps et son comportement sont très différents de la physique de la gravité quantique sous-jacente, il y a donc un élément de nouveauté – par exemple, si la physique sous-jacente n'est pas spatio-temporelle. Et enfin, le comportement de l'espace-temps semble également quelque peu autonome, ou indépendant, de la physique gravitationnelle quantique particulière dont il émerge.

- La physique de la gravité quantique suggère-t-elle que l’espace et le temps ne sont peut-être que des concepts que nous utilisons et non la matière même du monde ?

- Il y a cette idée [ du philosophe du XVIIIe siècle Emmanuel Kant ] selon laquelle nous devons imposer des concepts spatiotemporels au monde, car nous pensons nécessairement en termes d'espace et de temps, et il nous est très, très difficile de travailler sans ces concepts. Toute la physique connue les utilise. Alors comment conceptualisons-nous ce que nous faisons avec la gravité quantique ? Nous dessinons ces diagrammes dans [ nos théories de la gravité quantique ]. Mais en dessinant ces choses, nous les représentons spatio-temporellement, car nous ne savons pas faire autrement... alors qu'on ne peut pas les considérer comme étant réellement quelque part.  Alors se pose la question : qu'en est-il de la physique ? Que faisons-nous ? Avons-nous repoussé les limites de ce que nous sommes capables de faire ?

Kant pensait que l'espace était si fondamental que nous ne pouvions pas nous en passer. Il considérait la géométrie comme euclidienne ; il ne pouvait rien imaginer d'autre. [ Note de l'éditeur : l'espace euclidien est plat, ce qui signifie que la somme des angles intérieurs d'un triangle est égale à 180 degrés ].  Et cela s'est avéré faux : la théorie d'Einstein a révélé que nous pouvons avoir différentes géométries déformées. Ce qui indique que même si nous pensons qu'il existe des concepts que nous devons nécessairement utiliser, il pourrait en exister d'autres.

(photo : Karen Crowther attend le bus en route vers l'université.) 

- Y a-t-il une approche que vous trouvez la plus prometteuse ou la plus intéressante sur le plan philosophique ?

- La théorie des cordes est très intéressante en raison de l'idée de dualité. Différentes formes de théorie des cordes décrivent des structures d'espace-temps très différentes, avec des dimensions variables, et pourtant elles s'équivalentes les unes aux autres. On ne peut pas dire laquelle est la plus émergente. Il me semble donc qu'il faut pointer vers quelque chose de plus profond.

- Sans preuve empirique, voire même sans possibilité de preuve, les chercheurs en gravitation quantique semblent accorder plus de poids que d’habitude aux principes, aux expériences de pensée, voire à des qualités comme la simplicité et l’élégance. Comment ces critères se situent-ils par rapport à l’histoire des sciences ? S’agit-il encore de science ?

- Je m’intéresse aux principes de base que les gens appliquent et aussi ce qu'on peut attendre d'une théorie de la gravité quantique. Tous ces principes ou contraintes ne s'accordent pas bien entre eux. Il se peut donc que nous devions en abandonner ou en modifier certains. Je me suis récemment demandée quelle serait la contrainte la plus fondamentale de la gravité quantique. Je pense que c'est quelque chose qui touche à la cohérence. Nous essayons d'unifier la relativité générale avec la mécanique quantique pour obtenir une image cohérente de l'univers. Nous voulons que les mathématiques soient également cohérentes.  Lorsque nous sommes à la recherche de nouvelles théories, la physique devient toujours philosophique.*