La gravitation

La gravitation est également responsable de nombreux phénomènes astrophysiques : la formation des étoiles à partir de nuages de gaz, les marées, les trous noirs, et même l'expansion de l'univers. À grande échelle, elle est la force dominante dans la structuration de l'univers, régissant la dynamique des galaxies et des amas de galaxies. Toutefois, à l'échelle des particules subatomiques, son influence est négligeable.

Il existe deux principales théories de la gravitation : 

La théorie de l'attraction universelle de Newton : elle repose sur le principe d'attraction découvert par Isaac Newton à la fin du 17e s. selon lequel tous les corps s'attirent mutuellement en proportion de leur masse et de l'inverse du carré de leur distance :

F=G.M₁.M₂/d²

où F est la force d'attraction; G la constante de gravitation, M₁etM₂ les masses de chacun des corps, et d la distance de leur centre de masse. Cela signifie que plus deux corps sont massifs et proches l'un de l'autre, plus la force gravitationnelle entre eux est grande..

La théorie de la relativité générale d'Einstein : La vision de Newton suppose une force agissant instantanément à distance, mais cette conception a été profondément modifiée par la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein. Prolongement de la théorie de la relativité de 1905, la théorie de la gravitation d'Einstein repose le principe d'équivalence, qui énonce que masse inerte et masse grave sont équivalentes, autrement dit qu'il y a une identité de nature entre les mouvements d'origine gravitationnelle (qui prennent en compte la masse grave) et les mouvements inertiels accélérés (qui prennent en compte la masse inerte). La relativité générale conduit à interpréter la gravitation comme un effet de la courbure de l'espace-temps. Un corps massif, comme la Terre ou le Soleil, par exemple, déforme l'espace-temps autour de lui, et cette déformation influence la trajectoire des objets environnants. Ainsi, une planète suit la courbure de l'espace-temps tracée par le Soleil, ce qui se manifeste comme un mouvement orbital.

La mécanique quantique, en revanche, régit le comportement des particules élémentaires et des forces fondamentales (sauf la gravitation) à l'échelle microscopique. Elle décrit un monde où l'énergie et la matière sont quantifiées, où les événements sont régis par des probabilités (principe d'indétermination d'Heisenberg), et où les interactions sont médiatisées par des particules échangées (comme le photon pour la force électromagnétique). C'est une théorie probabiliste, fondamentalement différente dans son approche.

L'incompatibilité entre ces deux théories réside dans leurs descriptions fondamentalement différentes de la nature de la réalité, en particulier en ce qui concerne l'espace-temps et la gravitation. La relativité générale suppose un espace-temps lisse et continu, servant de toile de fond aux événements. La mécanique quantique, appliquée à la gravitation, impliquerait que le champ gravitationnel lui-même, et donc la structure de l'espace-temps, devrait être soumis aux fluctuations quantiques inhérentes, devenant "mousseux" ou discontinu à très petites échelles (l'échelle de Planck). Essayer de traiter le champ gravitationnel comme les autres champs quantiques (en postulant un "graviton" comme particule médiatrice) et d'appliquer les méthodes standard de la théorie quantique des champs mène à des calculs produisant des infinis incontrôlables qui ne peuvent pas être éliminés (problème de la non-renormalisabilité), indiquant que la théorie de la relativité générale n'est pas compatible avec les principes de la mécanique quantique à haute énergie ou à très courtes distances. De plus, la relativité générale prédit l'existence de singularités (points où la courbure de l'espace-temps devient infinie, comme au centre d'un trou noir ou le moment du début de l'expansion cosmique (big bang), où ses équations cessent d'être valides. On s'attend à ce que les effets quantiques de la gravitation deviennent dominants précisément dans ces conditions extrêmes.

Il s'ensuit, dès lors, la nécessité d'une théorie capable de rendre compte de manière cohérente des phénomènes où les effets de la gravité sont forts et les effets quantiques sont importants. Ces situations incluent le comportement des trous noirs (en particulier près de la singularité centrale et potentiellement à l'horizon des événements, lié au paradoxe de l'information) et les tout premiers instants de l'univers, juste après le big bang, où l'univers était extrêmement dense et chaud, combinant des conditions de gravitation extrême et de très petites échelles. Une théorie de la gravitation quantique est ainsi nécessaire pour comprendre ce qui se passe réellement aux singularités et potentiellement pour les "résoudre", pour unifier la gravitation avec les autres forces fondamentales décrites par le Modèle standard des particules (qui est une théorie quantique), et pour fournir une description cohérente de l'espace-temps et de la gravité à l'échelle la plus fondamentale (l'échelle de Planck, environ 10^-35 mètres pour l'échelle des longueurs), où les fluctuations quantiques de l'espace-temps sont censées dominer. C'est l'une des quêtes majeures de la physique théorique moderne, avec des approches candidates comme la théorie des cordes ou la gravitation quantique à boucles.