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La gravitation
est une force fondamentale de la nature qui attire deux objets l'un vers
l'autre en raison de leur masse. Elle agit sur tous les corps possédant
une masse, sans exception, et ce, Ã toute distance,
bien qu'elle soit extrêmement faible comparée à d'autres forces comme
l'électromagnétisme. C'est la gravitation qui maintient les planètes
en orbite autour du Soleil, la Lune
autour de la Terre, et qui donne leur poids aux
objets à la surface d'une planète.
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 théorie de la gravitation
d'Einstein et la mécanique quantique sont les deux piliers de la physique
moderne, chacune décrivant remarquablement bien son domaine de compétence.
La relativité générale explique la gravitation comme une manifestation
de la courbure de l'espace-temps causée par la masse et l'énergie,
et elle fonctionne à merveille pour décrire les phénomènes à grande
échelle, comme le mouvement des planètes, la structure des étoiles,
et l'évolution de l'univers. C'est une théorie classique et déterministe,
traitant l'espace-temps comme un continuum lisse.
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 Ã
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. |
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