commission                                                                                              22 janvier 2006

 

CosmologieCompte rendu de la réunion du 14 janvier 2006

 

 

1 -  Vers la gravitation quantique ?

 

Voici l'introduction de notre conférencier, Marc Lachièze-Rey (Directeur de recherche au CNRS, Service Astrophysique du CEA) :

"Aujourd'hui, notre physique est dominée par deux grands corpus théoriques : la relativité et la mécanique quantique.

Malheureusement,  ils semblent inconciliables, et chacun nécessite  une conception du monde qui s'oppose à  celle de l'autre. Ces problèmes sont particulièrement  apparents lors de l'étude de l'univers primordial, des trous noirs et de la nature du vide.

Les théoriciens cherchent une nouvelle théorie qui harmoniserait la physique.

Je montrerai les raisons de l'incompatibilité actuelle et exposerai quelques unes des pistes suivies pour chercher cette nouvelle théorie (gravité et géométrie quantiques, géométrie non commutative, supercordes), et leurs implications possibles."

 

Historiquement, il y a eu plusieurs étapes dans la réflexion d'Albert Einstein : après la Relativité Restreinte (RR) en 1905, il aboutit en 1916 à décrire la gravitation avec la Relativité Générale (RG).

En 1917, Albert ajoute une constante cosmologique à ses équations de champs afin de trouver un modèle d'Univers apparemment stable. C’est le point de départ de la cosmologie relativiste.

L’Univers devient un objet physique constitué par l’ensemble de l’espace-temps indissociable de son contenu de masse et d'énergie, que la  Relativité Générale permet de décrire et de mettre en équations.

 

Les théoriciens ont utilisé diverses géométries à toutes les époques, avec aujourd’hui la notion de "variété"  destinée à nommer des objets mathématiques de plus en plus complexes. Chaque théorie se base sur une géométrie particulière : la géométrie euclidienne pour Newton, un espace plat de Minkowski à 3 dimensions d'espace et une de temps pour la RR, la géométrie riemannienne à 4 dimensions munie d'une courbure pour la RG. Aujourd’hui on parle de la géométrie non commutative de Connes.

 

Du côté quantique, la "théorie quantique des champs"  est construite sur l'espace-temps de la RR et permet de décrire les interactions faible et électromagnétique d'une part, forte d'autre part ; nous ne disposons pas à ce jour de synthèse générale satisfaisante de ces deux aspects.

Le problème est que ces théories font des prédictions très bien vérifiées mais sans principe directeur fort, sans fondement mathématique fondamental : le modèle standard fait appel à 17 paramètres libres alors que la Relativité Générale n’en utilise que 2 (constantes cosmologique et gravitationnelle).

 

La théorie quantique des champs donne des résultats très précis. Il existe donc bien une réalité quantique incontestable mais elle induit quelques gros problèmes comme celui de la non localité par exemple (la fonction d'onde est définie partout), alors que la RG est locale.

En relativité, le temps absolu n’existe pas et il dépend du repère dans lequel on le mesure, alors qu’en mécanique quantique il faut un temps. La nature du temps définie différemment pour des mêmes évènements est en cause

En relativité, l’espace est courbe, en mécanique quantique l’espace est plat. Les forces existent en mécanique quantique, pas en Relativité Générale pour la gravitation.

 

Il faut donc construire une théorie où la gravité serait quantique et les premiers essais ont échoué.

L’énergie d’un électron par exemple est la somme des énergies de tous ses états possibles. Or cette somme est infinie ! Pour lever les problèmes d’infinis, les théoriciens utilisent la procédure mathématique dite de "renormalisation".  Malheureusement cette procédure ne peut pas s’appliquer de cette manière la gravitation, par une "simple" généralisation de la physique quantique actuelle.

 

Il faut donc trouver autre chose. Trois pistes sont actuellement suivies:

·        la théorie des cordes

·        la gravité quantique

·        la géométrie non commutative

 

Dans la théorie des cordes, les points sont remplacés par des objets ouverts ou fermés à une dimension (des cordes), ayant une taille non nulle. La difficulté engendrée par les points qui induisent des infinis (contournée par la renormalisation) est supprimée.

On s'intéresse aussi à des sous-espaces de dimensions plus importantes appelés "branes", avec quelques développements d'une cosmologie branaire.

 

Parmi les idées récentes figure la super-symétrie qui permet d'envisager des "super-cordes". Elle tente d’unifier les descriptions des interactions fondamentales.et permet de relier par symétrie les fermions et les bosons (les fermions pouvant être des bosons miroirs et réciproquement) et donc d’imaginer de nouvelles particules à découvrir. Cette nouvelle approche qui s'effectue avec des mathématiques complexes dans des espaces à 10 ou 11 dimensions, permet de quantifier toutes les interactions y compris la gravitation.

Le problème est qu'il y a énormément de possibilités et qu'il n'est pas simple de choisir la bonne !

 

La seconde démarche consiste à rechercher une quantification de l'espace-temps et de la gravité, donc de trouver une théorie de la gravité quantique, un peu indépendamment des autres interactions pour l'instant. Les théoriciens ont imaginé des représentations en "réseaux de spin" par exemple et commencent à évoquer des cosmologies quantiques possibles.

 

Enfin, Alain Connes et son équipe  développent une géométrie non commutative permettant de considérer l’espace autrement que par un ensemble de points. L’espace devient discontinu, garde les propriétés de symétrie et cette approche auto-génère par ailleurs des relations d'incertitude, ce qui est tout à fait prometteur.

 

A ce jour, aucun de ces divers développements n'a reçu de vérification expérimentale.

 

Les théories de la Relativité Générale et de la physique quantique décrivent très bien les phénomènes connus, chacune dans son domaine.  Vouloir simultanément appréhender les deux aspects s'avère être extrêmement complexe.

Par ailleurs la théorie générale devra bien sûr admettre les descriptions existantes comme de bonnes approximations.

De nouvelles dimensions, de nouvelles géométries, des cordes, des branes, des super-symétries, des super-particules…..Cela permettra peut-être de découvrir une nouvelle physique.

 

Pour en savoir plus :

allez voir un compte rendu plus détaillé sur le site de JP Martin:

http://www.planetastronomy.com/special/2006-special/saf-lachieze-cosmo-janv2006.htm

 

Pour en savoir beaucoup plus, lisez :

 

Au delà de l'espace et du temps,

M. Lachièze-Rey    Le Pommier 2004

2 - Actualité de la SAF

 

ü                 Trois cours sur le Soleil donnés par J. Moity de l'observatoire de Meudon, se tiendront au siège de la SAF, les jeudis 23 février, 9 et 23 mars 2006, à 18h30.

ü                 La SAF participera à la Nuit des Planètes organisée par l'Observatoire de Paris, du 4 au 7 mars prochain.

 

3 -Conférences et séminaires

 

SAF, Institut Océanographique, 195 rue St Jacques, Paris 5ème,

 

Mercredi 25 janvier 2006, à 20h30

"La mission spatiale Corot" par A. Baglin (Observatoire de Paris)

Mercredi 22 février 2006, à 20h30 :

"Les derniers résultats de Deep Impact", par N. Biver, Observatoire de Paris, SAF)

 

IAP, 98bis Bd Arago, Paris 14ème  (inscription préalable obligatoire)

 

 Mardi 7 mars 2006, à 19h30,

"L'espace et le temps dans la physique d'aujourd'hui" par M. Lachièze-Rey (CEA)

                       

Bureau des Longitudes, Palais de l'Institut, salle Hugot, 23 quai de Conti, Paris 6ème

 

Mercredi 1er février 2006, à 14 h

"Le système de Saturne révélé par la mission Cassini-Huygens" par C. Sotin (Univ. de Nantes)

Mercredi 1er mars 2006 à 14 h

"Concordia : la nouvelle station scientifique franco-italienne du plateau antarctique" par G. Jugié (IPEV)

 

CIS, 46 rue Barrault, 75013 Paris

 

Lundi 20 février 2006, à 19 h 30

"Chasse aux planètes extraterrestres" par JP. Beaulieu (IAP)

 

Association Véga,

 

24 février 2006, au Château de Plaisir, salle Béjart, rue de la Brétechelle, 78370  Plaisir, à 20h30

"Rendez vous avec un astronome : A. Dollfus"

 

Collège de France

 

Reprise des cours et des séminaires de Gabriele Veneziano à partir du 7 février 2006, à 9 h 30

"Interactions fortes et chromodynamique quantique II : aspects non perturbatifs

 

4 – Livres et revues

 

Ont été évoqués :

 

ü      Cosmologie Primordiale  de P. Peter et JP Uzan (Belin), très théorique,

ü      Planètes extrasolaires de F. Casoli et T. Encrenaz (Belin, Pour la Science),

ü      Au plus près de Saturne sous la direction de P. Morel (Vuibert, SAF),

ü      La dixième planète, numéro hors série de Sciences et Avenir, décembre 2005.

 

 5 - Prochaines réunions

 

18 mars 2006

"Les équations fondamentales de la cosmologie", par A. Mertz

13 mai 2006

"Les Télescopes spatiaux", par JP. Martin (Association Véga)

24 juin 2006

A préciser

 

Sauf avis contraire, les réunions se tiennent le samedi à 15 heures, au siège de la SAF, 3 rue Beethoven à Paris XVIème.

 

Autres sujets envisagés ultérieurement :

 

La formation des galaxies : état de l'art

Les ondes gravitationnelles et leurs capteurs

La relativité d'échelle

Le fond diffus infra-rouge

Les univers parallèles (Linde)

Histoire et philosophie de la cosmologie

 

Nota : pour des raisons évidentes d'efficacité et d'économie, il est demandé à chacun de bien vouloir me transmettre une adresse électronique et de penser à m'informer de son  éventuelle modification.

 

JP Martin et Claude Picard