Puisque on en cause:
Entretien avec
Roger Penrose « La théorie quantique est incomplète » Le physicien et mathématicien britannique Roger Penrose est le co lauréat du prix Nobel de physique 2020. Il a pu prouver, en 1965, que la formation d'un trou noir est une prédiction robuste de la théorie générale de la relativité. Il a aussi réfléchi à un cadre de quantification de la géométrie.
Considéré comme l'un des plus importants théoriciens du XXe siècle, Roger Penrose vient de se voir attribuer le prix Nobel de physique 2020 pour ses travaux sur les singularités — l'autre moitié du Nobel a été donnée pour parts égales à l'Allemand Reinhard Genzel et à l'Américaine Andrea Ghez pour avoir montré que le centre de notre Galaxie abrite un trou noir super-massif de 4 millions de masses solaires.
L'astrophysicien britannique a, quant à lui, prouvé dès 1965 qu'une distribution de matière suffisamment importante doit nécessairement s'effondrer en une singularité : les trous noirs deviennent alors une réalité. Dans les trous noirs comme dans l'Univers, le temps est lié à l'espace. Mais cette description ne permet pas d'expliquer notre sensation que le temps s'écoule. Les physiciens cherchent à élaborer une théorie en ce sens, exposait Roger Penrose dans un entretien accordé à La Recherche en 2016
La Recherche Qu'est-ce que le temps?
Roger Penrose Pour moi, le temps est celui de la relativité générale d'Einstein, autrement dit, c'est juste l'une des quatre dimensions de l'espace-temps. Je considère que cette théorie est magnifique. Elle n'a jamais été prise en défaut. Nous avons des horloges atomiques très précises qui confirment que la relativité générale décrit superbement ce qui se passe. Si les systèmes de positionnement par satellite, comme le GPS, fonctionnent aussi bien, c'est parce qu'elle est prise en compte. L'observation des pulsars binaires dans les années 1970 et, depuis 2015, des ondes gravitationnelles émises par des trous noirs qui fusionnent confirme le bien-fondé de la théorie. Et, selon elle, il n'existe pas de temps universel, comme c'était le cas dans la théorie de la gravitation de Newton, mais seulement des temps relatifs: chacun des observateurs qui peuplent l'Univers a un temps local, son temps propre. Du coup, il n'existe pas de progression du temps universel qui serait associée à un système de coordonnées arbitraires.
Pourquoi cette vision du temps pose-t-elle problème? Elle ne pose pas de problème pour la physique ou l'astronomie. Seulement, elle n'explique pas la sensation que nous avons tous que le temps passe, qu'il s'écoule. Si l'on prend la théorie de la relativité restreinte au sérieux- ce que je suis bien sûr enclin à faire -, la progression du temps n'est pas ce qu'on imagine naturellement car, en relativité restreinte, il est impossible de définir une notion de simultanéité. Surtout pour de grandes distances. Prenez par exemple la galaxie d'Andromède, située à environ deux millions d'années-lumière de nous. Il existe un instant ici, où nous nous trouvons, qui est simultané avec un instant sur une planète d'Andromède. Eh bien, si au lieu d'être assis ici et maintenant, je marche dans une direction ou une autre, ces instants ne sont plus simultanés : il y aurait une différence de plusieurs semaines. Il faut reconnaître qu'il y a là quelque chose de bizarre.
Comment, dans ce cas, expliquer notre perception du temps? J'aimerais bien le savoir... Nous ne disposons pas de temps universel, chaque personne ayant un temps interne. Cela a à voir avec notre perception consciente. Et dans notre perception consciente, nous avons le sentiment que le temps progresse. Je pense qu'il doit y avoir une explication physique, vraisemblablement pas issue de la physique conventionnelle, mais je reste persuadé qu'il y a une explication physique quand même. Sans doute cela a-t-il un lien avec l'une des principales choses qui nous manquent: une bonne théorie de la réduction des états quantiques.
Cela signifie-t-il que, pour vous, il faudrait compléter la mécanique quantique? Les deux théories qui ont révolutionné la physique au XXe siècle fonctionnent bien, mais elles ont toutes deux des problèmes. La relativité générale, qui décrit la gravitation, a des problèmes liés aux singularités, lorsque les quantités deviennent infinies. C'est le cas dans les trous noirs et lors du Big Bang. Mais la mécanique quantique, qui décrit l'infiniment petit, a un souci bien plus sérieux avec le problème de la mesure quantique. C'est en fait un ensemble de problèmes qui souligne des difficultés de corrélation entre les postulats de la mécanique quantique et le monde macroscopique tel qu'il est mesuré. Habituellement, ces problèmes sont balayés sous le tapis au motif qu'il s'agit de philosophie. C'est bien dommage. Ce paradoxe de la mesure -je préfère ce terme- part du fait qu'on a une équation qui décrit l'évolution du système quantique en fonction du temps de manière déterministe (l'équation de Schrödinger). Ensuite, dans le processus de la mesure, vous vous retrouvez non plus avec une évolution, mais avec des probabilités. Cela n'est pas cohérent. Le chat de Schrôdinger (') est soit vivant, soit mort, mais pas à la fois mort et vivant. Même en invoquant la décohérence (e) ou d'autres solutions comme les univers multiples (*), cela ne résout pas le problème de savoir pourquoi vous ne voyez pas les deux possibilités en même temps : les postulats de la mécanique quantique n'expliquent pas pourquoi vous ne voyez pas le chat mort et vivant en même temps... C'est pourquoi je crois que la théorie quantique est incomplète. Paul Dirac (1902-1984), l'un des physiciens qui ont formulé la version moderne de la théorie quantique, a dit lui-même qu'elle était provisoire et qu'une meilleure théorie la supplanterait. Je suis persuadé qu'il a raison.
Pouvez-vous décrire le principe de la théorie des twisteurs que vous avez proposée? L'idée de base consiste à engendrer l'espace-temps à partir de la structure des rayons lumineux. Ainsi, si vous voulez décrire un point de l'espace-temps, il faut imaginer tous les rayons lumineux qui parviennent à ce point. En plus, il faut ajouter un paramètre aux rayons lumineux: une hélicité. D'où le nom « twisteur ». Au final, l'espace que l'on considère, et qui encode l'espace-temps, est de dimension 6 (réel). C'est donc un espace de dimension 3 complexe, puisque chaque dimension complexe correspond à deux dimensions réelles (*). C'est un cadre intéressant, car on peut décrire grâce à ce formalisme énormément de notions physiques en termes de géométrie complexe. Certains aspects de la théorie donnent une importance particulière à la causalité. Il s'agit d'une belle théorie géométrique (et j'aime beaucoup la géométrie). Quand je l'ai imaginée, il y a cinquante ans, elle n'intéressait pas grand monde. Et puis, petit à petit, les physiciens se sont aperçus qu'on disposait là d'outils puissants pour décrire les particules de masse nulle. Cette théorie est devenue un outil puissant pour analyser les interactions de haute énergie -les interactions fortes - lorsqu'on considère des particules sans masse. Elle a eu un rôle significatif dans l'analyse des données du LHC, le grand collisionneur du Cern. Finalement, même si elle n'est sans doute pas la théorie ultime de la physique, elle a atteint un certain degré d'intérêt parmi les physiciens.
Que devrait être une théorie de gravité quantique englobant mécanique quantique et relativité générale, et qui nous permettrait de mieux comprendre le temps? Je pense que l'on s'y prend mal. Le terme gravité quantique lui-même n'est pas le bon. Parce que ce terme implique que l'on cherche une approche foncièrement quantique. La raison pour laquelle certains physiciens pensent que la théorie quantique est plus profonde, plus fondamentale, est qu'elle s'intéresse à l'infiniment petit. Les grosses choses sont faites de petites choses, de sorte que beaucoup pensent que la théorie quantique devrait avoir la préséance... Or, ainsi que je l'ai expliqué, je ne pense pas qu'il faille partir d'une théorie quantique, notamment en raison du paradoxe de la mesure. Je ne sais pas quelle est la bonne approche. Parmi les théories en vogue, je ne suis pas un adepte de la théorie des cordes pour beaucoup de raisons. La gravité quantique à boucles est intéressante car elle considère la relativité générale de façon plus fondamentale. La théorie des twisteurs pourrait aussi fournir un cadre intéressant. Mais, pour l'instant, on reste loin d'une théorie qui permettrait de sortir du cadre de l'espace-temps de la relativité générale. Et la nature du temps n'est pas claire dans ces théories.
Si l'on ne s'accorde pas sur la nature du temps, peut-on savoir si, dans le cadre de nos modèles cosmologiques, l'Univers - et donc le temps - a eu un début? Dans la vision cosmologique classique de l'histoire de l'Univers, son devenir ultime le plus probable est une expansion qui se poursuit, les galaxies et les étoiles disparaissant, jusqu'à ce qu'il devienne de plus en plus froid. La chose la plus intéressante qui subsisterait serait des trous noirs. Et après un temps considérable - quelque 10
100 ans -, même ces trous noirs finiraient par s'évaporer, comme l'a calculé Stephen Hawking.
Que resterait-il dans cet Univers ennuyeux? Des photons, particules de masse nulle. C'est un destin terrible pour notre formidable Univers. C'est certes juste un argument émotionnel, mais il m'a fait m'intéresser plus précisément à ce qui se passe lors du Big Bang. Pour des raisons très différentes, avant que le boson de Higgs ne leur donne leur masse, les particules des premiers instants n'ont pas de masse. Le début et la fin de l'Univers se ressemblent du point de vue de la masse des particules. En réfléchissant à cette analogie et par des arguments mathématiques et physiques, notamment en utilisant des transformations conformes- qui conservent les angles -, j'ai pu élaborer un modèle d'évolution de l'Univers qui est en fait cyclique: le Big Bang n'est pas le début de tout, mais un passage par une étape très chaude et très dense qui peut se reproduire par la suite. Un modèle qui a des analogies avec les scénarios invoquant un rebond plutôt qu'un Big Bang. Reste qu'il est encore très difficile de discriminer entre tous les modèles... ■
(t) Le chat de Schrlidinger est une expérience de pensée de physique quantique dans laquelle un chat peut être à la fois dans deux états, mort et vivant.
(t) La décohérence considère qu'un système quantique ne doit pas être vu comme isolé, mais en interaction avec son environnement.
(*) Les univers multiples coexisteraient avec notre Univers. Ils se diviseraient continuellement en univers divergents, différents et inaccessibles entre eux.
1931 Roger Penrose naît à Colchester, au Royaume-Uni.
1958 II obtient un doctorat en mathématiques à l'université de Cambridge.
1973 II devient professeur de mathématiques à l'université d'Oxford.
1975 Il reçoit, avec Stephen Hawking, la médaille Eddington de la Royal Astronomical Society.
1988 II obtient avec Stephen Hawking le prix Wolf de physique.
1994 Il est anobli par la reine Elizabeth II pour service rendu à la science.
2020 Il reçoit le prix Nobel de physique.
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