La contradiction au c?ur de la physique

Des lasers, microscopes électroniques et horloges atomiques à l'électronique moderne et ses semi-conducteurs en passant par les procédés d'imagerie médicale : sans la mécanique quantique, de nombreuses technologies seraient aujourd'hui impensables. Peu d'autres théories scientifiques ont été confirmées aussi souvent et avec autant de précision depuis leur fondation il y a 100 ans. Trois des quatre forces fondamentales de la physique qui maintiennent la cohésion du monde en miniature reposent sur des concepts de la physique quantique : l'électromagnétisme, responsable de phénomènes quotidiens tels que la lumière, l'électricité et le magnétisme, la force nucléaire forte, qui maintient les atomes ensemble, et la force nucléaire faible, qui provoque la désintégration radioactive des noyaux atomiques.

La quatrième force fondamentale de la physique, celle qui assure la cohésion de notre univers et explique le comportement des planètes, reste pourtant à ce jour une énigme pour la mécanique quantique : la gravitation. Autant la mécanique quantique explique bien l'interaction des particules à l'échelle microscopique, autant elle se heurte à ses limites lorsqu'il s'agit d'objets plus grands soumis à la gravité. "Malgré les nombreuses tentatives de sommités telles qu'Albert Einstein, Richard Feynman ou Stephen Hawking, on n'a pas encore réussi à expliquer la gravitation par la physique quantique", explique Renato Renner, professeur de physique théorique à l'ETH Zurich. Dans le monde macroscopique, une théorie qui, à l'instar de la mécanique quantique, a été confirmée par de nombreuses expériences depuis plus de 100 ans, reste valable : la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein. Sans elle, ni nos GPS ni nos horloges ne fonctionneraient avec précision.

Tout va bien au royaume de la physique, pourrait-on penser. Mais c'est loin d'être le cas : car la description du tout petit ne correspond pas à l'image du tout grand. "La théorie de la relativité générale n'est pas compatible avec les principes de la mécanique quantique", explique Renner. C'est pourquoi de nombreux physiciens rêvent depuis des décennies de réunir les deux théories en une image unifiée du monde physique. En vain jusqu'à présent.

Courbure de l'espace-temps

En 1915, Albert Einstein publie sa théorie de la relativité générale, ébranlant ainsi notre vision traditionnelle du monde. Contrairement à Isaac Newton près de 200 ans avant lui, il ne décrit plus la gravitation comme une force dépendant de la masse et de la distance entre deux planètes, mais introduit un nouveau concept dans la physique : l'espace-temps. "Einstein fusionne l'espace tridimensionnel que nous connaissons avec le temps en une entité mathématique quadridimensionnelle. Il explique la gravitation géométriquement par la courbure de l'espace-temps", explique le professeur Renner de l'ETH.

Selon cette image, les objets lourds comme les planètes créent des creux dans l'espace-temps. La géométrie de ces derniers détermine à son tour la manière dont les objets s'y déplacent. Pour simplifier, l'espace-temps est comme un trampoline sur lequel une balle lourde crée une bosse. Si l'on place une balle de tennis sur le bord, elle roule vers le bas de la courbe en direction de la boule lourde. Le concept d'espace-temps permet par exemple d'expliquer pourquoi les horloges tournent plus vite dans un avion que sur la Terre. De même, l'orbite particulière de la planète Mercure autour du Soleil n'est soudain plus un mystère gr?ce à la théorie d'Einstein.

Le flou du monde quantique

A peu près en même temps qu'Einstein, des physiciens comme Werner Heisenberg, Niels Bohr ou Erwin Schr?dinger bouleversent notre vision du monde à petite échelle. Là où les électrons, les protons et d'autres particules élémentaires sont constamment en mouvement, s'attirant et se repoussant, règnent leurs propres lois. Alors que les formules d'Einstein nous permettent de calculer les orbites des planètes avec autant de précision que si elles tournaient autour du soleil sur des rails, cette unicité ne s'applique plus aux objets du monde quantique. Dans le microcosme des atomes et des particules, de telles trajectoires n'existent pas, et des affirmations probabilistes remplacent le déterminisme de la physique classique. "Un électron ou un proton peut se trouver à plusieurs endroits en même temps. Ce n'est que lorsque nous le mesurons qu'il a un lieu précis. Pour celui-ci, nous ne pouvons plus déterminer au préalable qu'une distribution de probabilité", explique la professeure de l'ETH Anna Soter, qui fait de la recherche à l'Institut de physique des particules.

De telles imprécisions ne sont toutefois pas prévues dans la théorie de la relativité générale. En effet, si une particule se trouve simultanément à plusieurs endroits, il n'est plus possible de calculer où elle crée la bosse dans l'espace-temps. Et le fait que même les plus petits objets courbent l'espace-temps et influencent ainsi la gravitation est considéré comme indiscutable. Après tout, ils ont une masse, tout comme les objets plus grands. Comme la Terre est en fin de compte constituée de particules, de nombreux physiciens pensent que la théorie de la relativité générale devrait être intégrée à la mécanique quantique. Mais à ce jour, on ne sait toujours pas comment la gravitation peut résulter de ces particules et de leurs mouvements flous.