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Terminer ce qu'Einstein avait commencé

GÖTEBORG – Il y a longtemps dans une galaxie lointaine, très lointaine, deux énormes trous noirs (chacun ayant une masse à peu près 30 fois supérieure à celle du soleil), sont entrés en collision, ont fusionné en émettant une explosion brève et puissante d'ondes gravitationnelles. L'énergie de cette explosion s'est propagée dans l'univers à la vitesse de la lumière, en diluant sa puissance à travers l'immensité de l'espace.

Plus d'1 milliard années plus tard, l'énergie de l'explosion a atteint la Terre sous la forme d'un signal incroyablement faible, d'une durée d'environ un dixième de seconde. Le 14 septembre 2015, les scientifiques de l'Observatoire à interféromètre laser d'ondes gravitationnelles (LIGO)aux États-Unis ont détecté des ondes gravitationnelles ayant la force d'un gazouillis sur leurs instruments et ont ainsi fourni la première confirmation d'une prédiction faite par Albert Einstein 100 ans auparavant.

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LIGO, qui fonctionne sous la direction de la Fondation nationale pour la science (NSF) des États-Unis, utilise deux interféromètres perfectionnés. Ces merveilles de haute technologie, situées aux extrémités opposées du pays et mises en service peu avant la mesure réussie de l'onde gravitationnelle (appelée GW150914), fonctionnent selon le principe de l'interférence lumineuse. Ces appareils détectent les contraintes exercées sur la géométrie de l'espace/temps induites par les ondes gravitationnelles, par la mesure des altérations dans la longueur des bras des interféromètres. Dans le cas de GW150914, sa longueur a varié du millième de la taille d'un proton en moins.

Les défis propres à la détection d'un changement aussi ténu étaient énormes, étant donné les différents types de bruits susceptibles de perturber la mesure et de détruire son intégrité. LIGO a approfondi ce minuscule gazouillement du chaos omniprésent de l'espace par une comparaison entre les mesures des deux interféromètres. Le bruit de l'un n'est pas corrélé avec le bruit de l'autre,contrairement au signal d'une onde gravitationnelle de passage, qui se serait d'abord produite dans un seul endroit, puis dans l'autre. Le signal de GW150914 a coïncidé avec une telle précision impressionnante que toute possibilité qu'il soit un événement fallacieux dû au hasard a été exclue.

Qu'un tel exploit doive remporter un prix Nobel ne fait aucun doute. La seule question est de savoir qui est censé le recevoir. Le succès de LIGO n'est pas seulement un triomphe de la technologie : il s'agit également (et surtout), du résultat d'un siècle de travail par des théoriciens sur les descriptions mathématiques des ondes gravitationnelles : pas seulement Einstein, mais aussi Leopold Infeld, Joshua Goldberg, Richard Feynman, Felix Pirani, Ivor Robinson, Hermann Bondi et André Lichnerowicz.

La découverte de LIGO, en particulier, a été rendue possible par le physicien polonais Andrzej Trautman, qui a fourni la théorie des ondes gravitationnelles avec une rigueur mathématique très précise et par le physicien français Thibault Damour, qui a développé des outils mathématiques pratiques pour l'utilisation des fronts d'ondes observés, pour déchiffrer les informations sur les sources des ondes. Leur travail a établi la base mathématique solide de la théorie qui rendu possible le succès de LIGO.

La théorie de la relativité générale d'Einstein est la plus grande réussite intellectuelle de l'humanité. Et pourtant personne n'a reçu de prix Nobel pour le développement de ses fondements mathématiques. Le prix a été décerné aux physiciens expérimentaux qui ont procédé aux confirmations d'observation de certaines des prédictions importantes de la théorie. Et il a été décerné à la physique quantique pour des travaux purement mathématiques. Mais il n'a jamais été attribué à un pur théoricien menant des recherches sur la relativité.

J'espère que cette année le Comité Nobel reconnaîtra l'importance des travaux théoriques et décernera le prix selon les correctes proportions : à un physicien expérimental unique, pour avoir développé les concepts technologiques mis en œuvre sur LIGO et à deux purs théoriciens : Trautman et Damour.

Il y a tant de nouvelles découvertes à faire grâce à LIGO et grâce à son homologue européen VIRGO. Les mesures des ondes gravitationnelles ne vont pas seulement donner un aperçu sur des phénomènes qui jusqu'à présent étaient complètement hors de portée, comme le Big Bang, l'horizon des trous noirs et l'intérieur des étoiles à neutrons : elles pourraient également révolutionner notre compréhension de l'univers.

La théorie de la relativité générale décrit les phénomènes physiques à grande échelle : les humains, les roches, les planètes, les étoiles, les galaxies, l'univers tout entier. La mécanique quantique, en revanche, est tout aussi efficace pour décrire l'univers à des échelles plus petites : quarks, électrons, atomes et molécules.

Et pourtant ces théories fondamentales de la physique moderne sont incompatibles et peut-être même contradictoires. Aucune théorie de la gravité quantique n'a été découverte jusqu'ici, malgré de laborieux efforts. Plusieurs modèles provisoires de gravité quantique des phénomènes particuliers impliquant des trous noirs ont été proposés. Mais parce qu'aucun n'a été testé expérimentalement, personne ne sait si ces modèles sont corrects (en effet, certains conduisent à des paradoxes manifestes).

De nombreux physiciens sont convaincus que ces problèmes indiquent un ingrédient manquant dans notre compréhension des principes fondamentaux de la nature. En désespoir de cause, souvent avec arrogance, certains proposent des concepts complètement fous de la gravitation quantique, notamment des solutions de rechange bizarres à la théorie standard des trous noirs d'Einstein - tout cela sans le moindre fondement expérimental.

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En conséquence, pour de nombreux physiciens actuels, le problème authentique fondamental visant à réconcilier les deux théories a dégénéré en balivernes pompeuses et absurdes.

De solides faits expérimentaux seront nécessaires pour balayer tous les non-sens et peut-être même pour inspirer une solution à ce dilemme. Et c'est exactement ce que vont peut-être fournir les futures mesures d'ondes gravitationnelles.