Gravitation quantique
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© Jacques Léon

La petite histoire  Up Page
Neutrons à l'essai
Personne n'avait encore vu la chute d'une pomme ou une ronde de planètes ne pas respecter scrupuleusement le mouvement théorique que prévoyait les équations d'Einstein (Relativité générale, 1915). Or, il vient d'être prouvé qu'une pomme ne tombe pas de manière prévue !
Tout s'est déroulé au début de l'année 2002, à Grenoble, au sein de l'Institut Laue-Langevin, où le physicien russe Valery Nesvizhevsky a construit une machine capable de faire rebondir les neutrons en les isolant de tout effet autre que celui de la gravité terrestre.
Cela fait longtemps que le physicien russe rêve de construire une telle machine. "Au début des années 80, alors que je commençais mes études de physique en Russie, je suis tombé sur un article de Vladislav Luschikov décrivant le principe de cette machine, se souvient Valery Nesvizhevsky dans un délicieux accent slave. J'ai alors décidé de la réaliser moi-même."
Le principe de l'expérience est simple: il consiste à faire rebondir des neutrons sur une table en une sorte de microscopique jeu de ping-pong. But de l'opération: voir comment rebondissent ces petites particules de matière lorsque leur chute n'est soumise qu'à l'action de la gravitation. Pourquoi avoir choisi des neutrons ? Car ils sont très peu sensibles à la force électromagnétique, ont une durée de vie suffisante pour l'expérience et une masse pas trop élevée pour que les phénomènes quantiques soient mesurables.
Seul problème: la vitesse d'un neutron à température ordinaire est de quelques kilomètres par seconde; c'est beaucoup trop rapide pour étudier leurs rebonds. Suivant les conseils de Vladislav Luschikov, Valery Nesvizhevsky a donc choisi des neutrons "ultra-froids", dont la vitesse se compte en mètres par seconde, et s'est installé en 1995 à l'Institut Laue-Langevin de Grenoble, où le plus puissant producteur de ces "neutrons ultras-froids" a été construit. "C'est le seul endroit dans le monde où cette expérience pouvait être faite."

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Trajectoire quantique


En théorie, la trajectoire du neutron entre chaque rebond doit décrire une parabole, comme le ferait une balle de ping-pong. C'est, en tout cas, ce que disent les équations de la relativité générale d'Einstein, qui sont les seules dont disposent les physiciens pour décrire le mouvement théorique de corps soumis à la gravité. Les neutrons produits dans le réacteur de l'Institut Laue-Langevin sont propulsés dans un tube qui sélectionne ceux qui ont une trajectoire leur permettant d'atterrir au cœur du dispositif.
Les neutrons sélectionnés rebondissent entre une plaque de verre et un absorbeur. Ils sont isolés de toute interaction électromagnétique par un bouclier, et de tout frottement par une chambre à vide. Les vibrations extérieures, qui pourraient nuire à l'horizontalité du dispositif, sont mesurées en permanence par un inclinomètre, et compensées automatiquement par des pistons piézo-électriques.
Seuls les neutrons qui ne rebondissent pas trop haut atteignent le détecteur placé à la sortie. Les autres sont absorbés. Si on fixe l'absorbeur, à l'aide de micro-vérins, à une hauteur inférieure à 15/1000e de millimètre, plus aucun neutron n'est détecté. Cette distance, pourtant énorme par rapport à la taille des particules est conforme aux prédictions quantiques: c'est la hauteur théorique minimale de rebond pour des neutrons soumis à la gravitation, correspondant au plus bas niveau quantique d'énergie gravitationnelle. Laquelle vient donc d'être expérimentalement confirmée. La force de gravitation est ridiculement faible par rapport aux autres. C'est ce que les physiciens appellent le problème de hiérarchie. Un simple aimant suffit à soulever un clou posé sur le sol. Autrement dit, la force électromagnétique exercée par un petit aimant de quelques grammes suffit à vaincre les effets de la gravitation exercée par les six mille milliards de milliards de tonnes de notre planète!

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La gravitation quantique selon Magueijo
Antonio Magueijo a le mérite de dire franchement, à propos de la gravitation quantique, ce qui n'apparaît qu'en transparence dans des ouvrages plus prudents. La gravitation quantique se sépare en deux écoles différentes, celle dite des cordes et celle dite de la gravité quantique en lacet.
 
"Ces deux écoles ont pris aujourd'hui, nous dit Joao Magueijo, la forme de sectes s'affrontant impitoyablement, ce qui est toujours curieux pour un observateur moins impliqué. La théorie des cordes, elle-même subdivisée en de nombreuses sous-théories, a su mieux que l'autre se faire connaître et admettre du grand public, d'une façon paradoxale puisque, comme déjà rappelée, nul instrument ne peut aujourd'hui observer de cordes ni même d'effets plus globaux découlant de cette théorie. Son seul mérite, selon Joao Magueijo, est d'être plus "élégante", c'est-à-dire de se présenter sous la forme d'équations plus harmonieuses, si l'on peut dire, que sa rivale. Mais ce n'est pas à cela seulement, dit-il, que l'on peut juger de la pertinence d'une théorie.
 
Les trois routes vers la gravitation quantique
Selon Lee Smolin, trois routes sont actuellement suivies par les chercheurs pour aboutir à la gravitation quantique: la première développée à partir de la mécanique quantique qui donne naissance à la théorie des cordes, la seconde développée à partir de la relativité générale qui donne la théorie de la gravité quantique en lacet (GQL) ou en boucles. Bien que différentes, ces deux approches, selon l'auteur, devraient se compléter et se rejoindre. L'une et l'autre décrivent le temps et l'espace à l'échelle dite de Planck, soit (pour ce qui concerne l'espace) une dimension 10 puissance 20 fois plus petite que celle du noyau de l'atome. Contrairement à Brian Greene, qui se présente comme l'homme de la théorie des cordes, Lee Smolin a surtout travaillé la gravité quantique en lacet.
 
La 3e voie vers la gravitation quantique est celle (théorie des twisteurs de Penrose), selon Smolin, de quelques individualités qui refusent les bases à la fois de la mécanique quantique et de la relativité générale, pour développer des concepts et formalismes entièrement nouveaux. Ils poseraient des questions telles que "qu'est-ce que le temps" et "Comment décrire un univers auquel nous participons" qui, toujours selon Smolin, devraient être à la source des avancées conceptuelles de l'avenir. Parmi eux se trouve le mathématicien français Alain Connes, qui a proposé une toute nouvelle géométrie non commutative, susceptible de rendre de grands services dans la mathématisation de la nouvelle vision. On y compte aussi David Finkelstein, Christopher Isham, Raphael Sorkin et le vétéran Roger Penrose. Lee Smolin, qui se dit d'un tempérament optimiste, estime que ces trois voies différentes devraient converger très vite, en donnant naissance à la nouvelle théorie physique que tous le monde attend depuis plus d'un demi-siècle.

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Je crois que, si les êtres humains que nous sommes ne parviennent pas toujours à évoluer comme ils le souhaiteraient _à s'épanouir professionnellement, sentimentalement et sexuellement (ce que j'appelle les trois pôles d'intérêts) c'est parce qu'il y a des barrages qui entravent leur désir d'accéder à un rêve inachevé. Je pars du principe que tout est possible, à condition de s'entourer de gens qui nous poussent à croire en nous.
 
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