Trois dimensions d’espace nous sont accessibles : haut et bas, avant et arrière, gauche et droite. Ajoutez à cela le temps, et vous obtenez un mélange quadridimensionnel d’espace et de temps – l’espace-temps. Ainsi, nous vivons dans un univers quadridimensionnel. Mais en sommes-nous bien sûrs ?
De façon surprenante, de nouvelles théories prédisent que l’une des trois dimensions de l’espace ne serait qu’une illusion, et qu’en réalité toutes les particules et les champs formant le réel évoluent dans un monde bidimensionnel semblable au Flatland, le plat pays imaginé au xixe siècle par l’écrivain anglais Edwin Abbott. La gravité serait alors partie intégrante de l’illusion : ce serait une force absente dans le monde bidimensionnel, mais qui se matérialiserait grâce à l’émergence de la troisième dimension factice.
Pas de Gravité dans ce Monde ?
Plus précisément, ces théories prédisent que le nombre de dimensions réelles serait une question de perspective : les physiciens pourraient choisir de décrire la réalité comme étant soumise à un certain jeu de lois (dont celle de la gravité) en trois dimensions ou, de façon équivalente, comme obéissant à un jeu de lois différentes dans un espace bidimensionnel (sans gravité cette fois). En dépit de ces descriptions radicalement différentes, les deux théories pourraient rendre compte de toutes nos observations. Nous ne serions en aucune façon capables de déterminer quelle théorie est « vraiment » la bonne.
Un tel scénario heurte le sens commun. Pourtant, nous connaissons tous un phénomène analogue : un hologramme est un objet bidimensionnel, mais quand on l’éclaire convenablement, il produit une image réellement tridimensionnelle. Toute l’information décrivant l’image tridimensionnelle est en fait contenue dans l’hologramme bidimensionnel. De façon similaire, d’après ces nouvelles théories physiques, l’Univers dans sa totalité serait comme une sorte de grand hologramme.
La description holographique est davantage qu’une simple curiosité intellectuelle ou philosophique. Un calcul très difficile dans un monde pourrait se révéler assez élémentaire dans l’autre, ce qui permettrait de transformer des problèmes de physique insolubles en problèmes aisés à résoudre. Il semble ainsi que la formulation holographique soit utile pour analyser le résultat d’une expérience récente de physique des particules. De plus, la théorie holographique offre une nouvelle perspective pour l’élaboration d’une théorie de la gravitation qui respecte les principes de la physique quantique. Or une théorie quantique de la gravité constitue une pierre angulaire de tout effort visant à unifier les forces de la nature. Elle est requise pour comprendre à la fois ce qui se passe dans un trou noir et ce qui s’est passé durant les premières nanosecondes après le Big Bang.
Gravitation : elle ne Serait qu’une Illusion
Une théorie quantique de la gravité est la quête ultime pour de nombreux physiciens, car toute la physique, à l’exception de la gravité, est bien décrite par les lois quantiques. Il serait aberrant qu’un seul phénomène physique, la gravitation, échappe au paradigme quantique. La physique quantique, née il y a environ 80 ans, a d’abord été développée pour décrire le comportement des particules et des forces aux échelles atomiques et subatomiques.
Dans les théories quantiques, les objets n’ont pas des positions et des vitesses parfaitement déterminées, mais sont au contraire définis par des probabilités et des ondes qui occupent certaines régions de l’espace. Dans un monde quantique, au niveau le plus fondamental, tout fluctue en permanence ; même l’espace qualifié de vide est, de fait, rempli d’éphémères particules virtuelles qui apparaissent et disparaissent continuellement.
La meilleure théorie actuelle décrivant la gravitation est la relativité générale, l’œuvre maîtresse d’Einstein. C’est une belle théorie, fondamentalement classique (c’est-à-dire non quantique), dont beaucoup de prédictions ont été vérifiées avec une bonne précision. Selon elle, une concentration de matière ou d’énergie induit une courbure de l’espace-temps, et cette courbure dévie la trajectoire des particules, exactement comme le fait un champ de gravitation.
Dans une théorie classique telle que la relativité générale, les objets – par exemple les planètes autour du Soleil – ont des positions et des vitesses bien définies. On peut injecter ces positions et ces vitesses, ainsi que les masses des objets, dans les équations de la relativité générale et en déduire la courbure de l’espace-temps. À cette courbure correspondent des effets gravitationnels, que l’on peut calculer et qui vont en retour déterminer les trajectoires des objets présents. Par ailleurs, l’espace-temps vide est parfaitement lisse, quelle que soit l’échelle à laquelle on le regarde : c’est une arène où rien ne dépasse, une arène où la matière et l’énergie sont libres d’évoluer.
