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Bonjour à tous !

Aujourd'hui, on va parler du plus grand mystère de la physique fondamentale, Today, we'll talk about the greatest mystery of fundamental physic, Oggi parleremo del più grande mistero della fisica fondamentale, celui qui empêche des milliers de chercheurs de dormir. The one which impedes thousands of scientists to sleep. quello che toglie il sonno a migliaia di ricercatori.

Ce qu'on appelle prétentieusement e che viene pretenziosamente chiamato "la théorie du tout". What we pretenciously call "The theory of everything" "la teoria del tutto" La théorie du tout, c'est supposément la réunion de l'infiniment grand Theory of everything is supposedly the reunion of the infinite big and infinite small. La teoria del tutto è ipoteticamente l'unione dell'infinitamente grande et de l'infiniment petit, e dell'infinitamente piccolo l'unification de la théorie de la relativité générale avec la mécanique quantique. The unification of general relativity with quantum mechanic. l'unificazione della Relatività Generale con la Meccanica Quantistica D'ailleurs, on appelle ça plus simplement "le problème de la gravité quantique". By the way, we more simply call it " Quantum theory's problem". Tra l'altro, ciò viene chiamato semplicemente "la gravità quantistica" Alors il y a une approche très connue à ce problème, c'est la théorie des cordes. There's a very famous approach to this problem: the string theory. C'è un approccio molto conosciuto, è la teoria delle stringhe (J'ai déjà eu l'occasion de faire une vidéo sur ce sujet.) (I already had the chance to make a video on that subject) (sulla quale ho già pubblicato un video) Mais aujourd'hui, je voudrais vous parler de l'autre théorie, But today, I'd like to talk about the other theory Ma oggi vorrei parlarvi dell'altra teoria celle qui est moins connue que la théorie des cordes mais qui, personnellement, a ma préférence : the one which is less famous than string theory but that has my personal preference: meno conosciuta della teoria delle stringhe ma che personalmente prediligo

la gravité quantique à boucles. loop quantum gravity. la Gravità Quantistica a Loop

*jingle très funky* LOOP QUANTUM GRAVITY

Le problème de la gravité quantique, Il problema della gravità quantistica

c'est celui de l'unification de deux théories is the unification of 2 theories which have both completely shaken our vision of the world è quello dell'unificazione di 2 teorie qui dans la première moitié du XXe siècle che nella prima metà del XXe secolo

ont complètement bouleversé notre vision du monde. in the first half of the XXth century. hanno completamente sconvolto la nostra visione del mondo

La première de ces théories, c'est la relativité générale, The 1st of these theories is general relativity, la prima di queste teorie è la Relatività Generale le chef-d'oeuvre d'Albert Einstein, il capolavoro di Albert Einstein, et c'est une théorie de la force de gravité. This is a gravity's force theory. è una teoria della forza gravitazionale Avant Einstein, on avait déjà une théorie de la force de gravité, celle de Newton, We already had a theory of force of gravity before Einstein, Newton's, which was here for almost 250 years. Prima di Einstein, avevamo già una teoria della forza di gravità, quella di Newton,

qui était là depuis presque 250 ans. che esisteva da quasi 250 anni,

Et c'est celle qu'on apprend à l'école, That's the one you learn at school Ed è quella che impariamo a scuola "deux corps massifs s'attirent parce qu'il y existe une force entre les deux" "2 massive bodies attract each other because there is a force between the 2". "due corpi massivi si attraggono per via dell'esistenza di una forza tra di essi" " et Newton nous donne même la formule qui permet de calculer cette force. And Newton even gave us the formula which permits to calculate this force. e Newton ci fornisce anche la formula per calcolare questa forza.

La théorie de Newton, elle est fabuleuse, Newton's theory is fabulous La teoria di Newton è favolosa,

elle marche fantastiquement bien depuis plus de 3 siècles maintenant. and fantastically works for more than 3 centuries now. funziona perfettamente da oltre 3 secoli

C'est celle qui permet de comprendre à la fois la chute des corps, This is the one which permits to understand falling bodies . Ci permette di capire sia la caduta dei corpi, mais aussi le mouvement des planètes. but also movements of planets che il moto dei pianeti.

Je sais pas si vous réalisez le tour de force que ça représente pour l'époque. I don't know if you realise the prowess that represents for that epoch. Immaginatevi che tour de force ciò rappresenti per quell'epoca Newton comprend que ce qui fait tomber une pomme vers le sol Newton understands that what makes an apple fall towards the ground Newton capisce che ciò che fa cadere una mela verso il suolo

et ce qui explique le mouvement d'une planète autour du soleil, and what explains the movement of a planet around the sun e ciò che spiega il moto di un pianeta attorno al sole, c'est la même chose. sono la medesima cosa (Un truc de dingue !) (Mad stuff!) (una cosa pazzesca !)

Il y a une citation de Paul Valéry que j'aime beaucoup et qui résume bien ça : There's one Paul Valéry's quote that I really like and sums it well: C'è una citazione di Paul Valéry che mi piace molto e che riassume ciò __ Bisognava chiamarsi Newton per accorgersi che la Luna casca, mentre per tutti

__ è ben evidente che non casca.

Bref, la théorie de Newton ça marche hyper bien. In brief, Newton's theory works greatly. Per farla breve, la teoria di Newton funziona a meraviglia

Et là, Einstein arrive et propose de la remplacer Ed ecco che arriva Einstein e propone di sostituirla

par quelque chose de conceptuellement complètement différent. con qualcosa di completamente differente concettualmente.

Pour Einstein, si les corps s'attirent, c'est pas parce qu'il existe une force invisible entre eux, Per Einstein, se i corpi si attraggono, non è per via di una forza invisibile tra di essi, mais parce qu'ils déforment l'espace-temps. but because they deform SPACE-TIME. ma è perché essi deformano lo spazio-tempo. L'image classique, c'est celle d'un drap tendu sur lequel on poserait des objets. The classic example is an outstreached drape were you place objects L'immagine classica è quella di un lenzuolo teso sul quale vengono posati degli oggetti Et c'est la courbure de l'espace-temps qui modifie la trajectoire des corps massifs It's he curve of space-time that modifies the trajectory of massive bodies et provoques their attraction Ed è la curvatura dello spazio-tempo che modifica la traiettoria dei corpi massivi et provoque leur attraction. e provoca la loro attrazione.

Il y a une chose qu'il faut bien avoir en tête : Something you should keep in mind: Dobbiamo renderci conto che la teoria di Einstein Ll théorie d'Einstein, mathématiquement, elle est très différente de celle de Newton, mathematically speaking, Newton and Einstein theories are very different, è molto diversa da quella di Newton dal punto di vista matematico, mais ses résultats, ses prédictions physiques, sont essentiellement les mêmes. ma i risultati e le predizioni fisiche sono sostanzialmente le stesse.

Bah oui encore heureux, on l'a dit la théorie de Newton marche extrêmement bien, You should hope so, because as we saw Newton's theory works extremely well Ma si, certo, come abbiamo detto la teoria di Newton funziona benissimo, donc la théorie d'Einstein elle a quand même plutôt intérêt à donner les mêmes résultats. quindi quella di Einstein deve necessariamente fornire gli stessi risultati. Si vous vous amusez à calculer la chute d'une pomme ou la trajectoire de la Lune autour de la Terre, If you calculate the fall of an apple or the trajectory of the Moon around Earth with general relativity Se vi divertite a calcolare la caduta di una mela o la traiettoria della Luna intorno alla Terra, avec la théorie de la relativité générale, vous allez trouver la même chose qu'avec la théorie de Newton. tramite la teoria della Relatività Generale, troverete il medesimo risultato che si ottiene con quella di Newton Sauf... Except... Salvo ...

Sauf quand le champ gravitationnel devient vraiment intense. when the gravitationnal field becomes really intense. Salvo quando il campo gravitazionale diventa veramente intenso.

Par exemple Mercure, qui est beaucoup plus proche du Soleil que la Terre, For example, Mercury, which is much closer to the sun than Earth, Ad esempio Mercurio che si trova molto più vicino al Sole di quanto lo sia la Terra,

elle est dans un champ de gravité plus intense. è in un campo gravitazionale più intenso

Et là, le calcul de sa trajectoire par Newton et par Einstein donnent des résultats légèrement différents. And here, the calculation of it's trajectory by Newton and Einstein give slightly different results. E qui, il calcolo della traiettoria di Newton e di Einstein forniscono risultati leggermente diversi.

Et c'est le calcul d'Einstein qui colle avec les observations. And it's Einstein's calcul that sticks better with observations. Ed è il calcolo di Einstein che combacia con i dati rilevati dalle osservazioni C'est à dire que la théorie de la relativité générale, elle améliore la théorie de Newton Ovvero, la teoria della Relatività Generale è migliorativa rispetto a quella di Newton en particulier pour les champs gravitationnels intenses. particulary for intense gravitationnal fields. in particolare modo quando siamo in presenza di campi gravitazionali intensi.

Et elle va même jusqu'à prédire l'existence d'objets qui n'existaient pas dans la théorie de Newton comme par exemple les trous noirs. It even predicts the existence of bodies which didn't exist in Newton's theory, like f.e. black holes e predice pure l'esistenza di oggetti inesistenti nella teoria di Newton, come ad esempio i buchi neri Des régions de l'espace-temps d'où rien ne peut s'échapper, même pas la lumière. Regions of space-time of which nothing can espace from, not even light. Regioni dello spazio-tempo dalle quali nulla può uscire, nemmeno la luce. Et puis bien sûr, une des prédictions les plus spectaculaires de la théorie de la relativité générale, And of course, one of the most spectacular predictions of general relativity's theory is E poi naturalmente, abbiamo una delle predizioni più spettacolari della Relatività Generale,

c'est le Big Bang. the BIG BANG. ... il BIG BANG La théorie du Big Bang, elle découle de l'application des équations d'Einstein La teoria del BIG BANG deriva infatti dall'applicazione delle equazioni di Einstein à l'univers tout entier. all'intero universo. Et elle nous prédit que l'univers n'est pas une sorte d'arène statique, And it predicts that universe is not just a static arena Ci dice che l'universo non è una sorta di arena statica e immutabile mais peut être quelque chose qui est en train de se dilater ou de se contracter. but could be dilating or contracting. ma può essere qualcosa che si dilata o si contrae.

Et c'est ce qui a été observé pour la première fois par Edwin Hubble dans les années 20, That's what has been first observed by Edwin Hubble in the 20's Ed è ciò che è stato osservato per la prima volta da Edwin Hubble negli anni 20, et puis par plein d'autres gens après lui : and many more after him: e successivamente da tanti altri: toutes les galaxies de l'univers s'éloignent les unes des autres. all galaxies of the universe recede from one another, tutte le galassie si allontanano le une dalle altre. Un peu comme un drap élastique sur lequel on serait en train de tirer de tous les côtés. like an elastic drape streching from all sides. Un po' come un lenzuolo elastico che verrebbe stiracchiato dai i bordi

Si on utilise les équations de la cosmologie pour remonter dans le passé de l'univers, Se utilizziamo le equazioni della cosmologia per risalire al passato dell'universo, on voit que plus on remonte dans le temps, you see that the more you go back in time, vediamo che più si risale nel tempo

plus l'univers était contracté, dense et chaud. the more the Universe was contracted, dense and hot. più l'universo era contratto, denso e caldo Jusqu'à il y a 13,8 milliards d'années, Until 13.8 billion years ago Sino a 13,8 miliardi di anni fa, quando où d'après les équations, where, according to equations, secondo le equazioni l'univers était un point infiniment dense. the Universe was an infinitely dense point. l'universo si riduceva ad un punto infinitamente denso. (Un peu comme si il était né à ce moment-là.) (as if it was born at that time) (Un po' come se fosse nato in quell'istante.)

C'est un peu bizarre comme conclusion, nan? Little weird conclusion, isn't it? Conclusione un po' bizzarra, non è vero ? Et on va voir dans la suite ce qu'il faut en penser. E vedremo in seguito cosa ne dobbiamo pensare. *jingle très funky* LOOP QUANTUM GRAVITY

L'autre immense révolution du début du 20ème siècle, c'est la mécanique quantique. The other huge revolution of the start of the XXth century is quantum mechanic. L'altra immensa rivoluzione dell'inizio del 20mo secolo è la meccanica quantistica, La mécanique quantique, c'est un peu le contraire de la relativité générale, Quantum mechanic is a bit like the contrary of general relativity: La meccanica quantistica è un po' l'opposto della Relatività Generale c'est une théorie de l'infiniment petit. a theory of the infinite small. è una teoria dell'infinitamente piccolo. C'est celle qui permet de comprendre comment se comporte la matière au niveau des molécules, des atomes, It's what permits to understand how matter behaves to the scale of molecules, atoms E' quella che ci consente di capire come si comporta la materia a livello molecolare e atomico, et puis, plus petits : des protons, des neutrons et toutes les particules élémentaires. e ancora più piccolo: a livello di protoni, neutroni e di tutte le particelle elementari.

Si on doit la relativité générale presque exclusivement à Einstein, If we owe general relativity essentially to Einstein, Se dobbiamo la Relatività Generale esclusivamente ad Einstein,

la mécanique quantique, elle, est vraiment le fruit d'un effort collectif, la meccanica quantistica scaturisce dallo sforzo collettivo, d'une série de génies qui ont travaillé entre 1900 et 1930. di una serie di geni che hanno lavorato tra il 1900 e il 1930. Vous voyez ici la mythique photo du Congrès Solvay de 1927. You see here the mythical picture of Solvay's Congress in 1927. Questa è la famosa foto del Congresso di Solvay del 1927

Tous les fondateurs de la mécanique quantique sont là, All the founders of quantum mechanic are here, Ci troviamo tutti i fondatori della meccanica quantistica

et sur les vingt-neuf personnes présentes, e sui 29 presenti,

dix-sept ont eu le prix Nobel. 17 di loro sono premi Nobel

Alors il n'y a qu'une seule femme dans l'assemblée, c'est Marie Curie, mais enfin elle, elle l'a eu deux fois. Mentre c'è una sola donna ed era Marie Curie che però ne aveva conseguiti due. Ce que nous dit la mécanique quantique, c'est qu'à très petite échelle Ciò che ci dice la meccanica quantistica, è che su scala molto piccola la matière se comporte différemment de ce dont on a l'habitude à notre échelle. il comportamento della materia è differente da quanto avviene alla nostra scala (macroscopica) Et le mieux pour s'en rendre compte, c'est considérer un atome d'hydrogène. And the way best to realise it is to consider an hydrogen atom. E il miglior modo di rendersene conto è di considerare un atomo di idrogeno. Un atome d'hydrogène, en apparence c'est simple : Un atomo di idrogeno, in apparenza è molto semplice : un proton, chargé positivement, et un électron, chargé négativement. un protone con carica positiva e un elettrone con carica negativa.

Et entre eux existe une force : la force électrostatique de Coulomb, E tra loro esiste una forza : la forza elettrostatica di Coulomb,

qui dit que les charges opposées s'attirent. which states that opposite charges attract each other. secondo la quale due cariche opposte si attraggono, Cette force, elle ressemble beaucoup à la force de Newton, et elle nous dit que l'électron doit tourner autour du proton. That force looks a lot like Newton's force, and states that an electron turns around a proton. Questa forza somiglia molto a quella di Newton e ci dice che l'elettrone dovrebbe ruotare intorno al protone. Cette description est simple, mais elle a un petit problème : This desciption is simple, but has a small problem: Questa descrizione è semplice, ma comporta un piccolo problema:

comme l'électron peut perdre de l'énergie, because electron can loose energy, visto che l'elettrone può perdere energia, il va se mettre à tourner de plus en plus bas de plus en plus proche du proton it will turn closer and closer to the proton esso si metterà a ruotare sempre più in basso, sempre più vicino al protone

jusqu'à venir s'écraser sur lui. until it crashes on it. sino al punto di schiantarsi su di esso Un peu comme un satellite peut rentrer dans l'atmosphère. Like a satellite can enter the atmosphere. Un po' alla maniera di un satellite che rientra nell'atmosfera Si ça c'était vrai, les atomes d'hydrogène seraient instable, or, on voit bien qu'ils sont stables. Se ciò fosse vero, gli atomi di idrogeno sarebbero instabili, mentre sappiamo bene che sono stabili. La mécanique quantique va résoudre ce problème Quantum mechanic resolves this problem La meccanica quantistica risolverà questo problema

en venant modifier la vision qu'on a de l'atome d'hydrogène. by changing the way we see hydrogen. cambiando la visione che si aveva dell'atomo di idrogeno. Tout d'abord, la mécanique quantique nous dit que l'électron n'a pas une trajectoire bien définie, First, quantum mechanic tell us that the electron doesn't have a defined trajectory. Prima di tutto, la meccanica quantistica ci dice che l'elettrone non ha una traiettoria ben definita, il n'est pas en un point précis de l'espace sur un point bien défini de son orbite. non si trova in un punto preciso dello spazio, su un punto ben definito della sua orbita. Il est dans une superposition d'états comme s'il était un peu partout sur son orbite à la fois. Si trova in una "sovrapposizione" di differenti stati, come se fosse contemporaneamente in ogni punto della sua orbita L'autre grand changement, c'est que l'électron ne peut plus se trouver n'importe où, The other big change is that the electron cannot be anywhere, L'altra grande differenza è che l'elettrone non può trovarsi ovunque il n'a que certains niveaux d'énergie possibles. gli è consentito di avere solamente dei livelli di energia ben determinati. Ce qu'on symbolise souvent en faisant comme s'il n'avait que Ciò che viene simboleggiato spesso come se avesse solamente certaines orbites possibles, même si c'est pas tout à fait ça. alcune orbite possibili, anche se ciò non è completamente esatto. L'électron peut être dans un certain niveau, dans le niveau suivant, mais pas entre les deux. The electron can be on a certain level, or another, but not between them. L'elettrone può trovarsi su un determinato livello o sul livello successivo ma non a cavallo dei due. Et du coup on leur met des numéros : niveau 1, niveau 2, niveau 3. Di conseguenza caratterizziamo i livelli con un numero: livello1, livello2, livello3.

On dit que les niveaux d'énergie sont "quantifiés". Levels of energies are called "quantified". Si dice che i livelli di energia sono "quantizzati" Et c'est pour ça qu'on appelle ça la mécanique "quantique". That's why it's called "quantum mechanic". Ed è per questo che si parla di meccanica "quantistica" Alors cette quantification des niveaux d'énergie elle a deux conséquences. This quantification of levels of energies has 2 consequences. Questa quantizzazione dei livelli di energia ha due conseguenze La première, c'est qu'un électron peut sauter d'un niveau d'énergie à un autre 1: An electron can jump from one level of energy to another La prima è che un elettrone può saltare da un livello di energia all'altro en émettant ou en absorbant une quantité d'énergie bien déterminée by emitting or absorbing a well determined quantity of energy emettendo o assorbendo una quantità di energia ben determinata sous la forme de lumière de longueur d'onde bien définie. under the form of well-defined light of wave length. sotto forma di luce di lunghezza d'onda ben definita. Et ça on le vérifie tous les jours avec la couleur de la lumière qui est absorbée You verify this every day with the colour of light which is absorbed E ciò, lo verifichiamo quotidianamente tramite il colore della luce che viene assorbita

ou émise par les différents atomes. or emited by different atoms. o che viene emessa dai vari atomi.

L'autre conséquence, c'est que l'électron ne peut pas descendre plus bas en énergie que le niveau 1, L'altra conseguenza è che l'elettrone non può scendere più in basso del livello 1, in termini di energia qu'on appelle "niveau fondamental", which is called the "fundamental level" ... livello1 che viene chiamato "livello fondamentale" et en particulier ça l'empêche d'aller s'écraser sur le proton. it especially prevents it to crash on the proton. ed in particolare, questo è ciò che impedisce all'elettrone di schiantarsi sul protone Tout se passe comme si il y avait une espèce de force de répulsion due aux effets quantiques It's like there was a sort of repulsion force due to quantic effects Tutto avviene come se ci fosse una sorta di forza repulsiva dovuta agli effetti quantistici

qui protégeait l'atome de l'instabilité. which protects the atom from instability. che proteggesse l'atomo dalla instabilità Et on va voir que ça va jouer un rôle important dans notre affaire. And we'll see that it plays an important role in our story. E ora vedremo che ciò svolge un ruolo importante nella nostra vicenda

*jingle funky* LOOP QUANTUM GRAVITY

Relativité générale et mécanique quantique, Relatività Generale e meccanica quantistica,

les deux énormes révolutions du 20ème siècle en physique fondamentale. the 2 huge revolutions of the XXth century in fundamental physics. le due enormi rivoluzioni del 20-mo secolo nella fisica fondamentale

Et jusqu'à aujourd'hui, ces deux théories ont fonctionné merveilleusement bien. E sino ad oggi, queste due teorie hanno funzionato a meraviglia. On l'a vu encore récemment avec la découverte des ondes gravitationnelles pour la relativité générale We saw it again recently with the discovery of gravitationnal waves for general relativity Lo abbiamo visto anche recentemente - per la Relatività Generale - in occasione del rilevamento delle onde gravitazionali et la découverte du Boson de Higgs pour la mécanique quantique. and the discovery of Higgs's Boson for quantum mechanic. e della scoperta de Bosone di Higgs, per la meccanica quantistica.

Et pourtant ces deux théories, elles sont complètement incompatibles. Even so, these 2 theories are completely incompatible. Eppure queste due teorie ... sono totalmente incompatibili.

La relativité générale nous décrit un monde qui est courbé mais lisse, déterministe. General relativity describes a curved but smooth determinist world. La Relatività Generale ci descrive un mondo che è curvo ma liscio, deterministico.

À côté de ça, la mécanique quantique nous dit que, au niveau microscopique, le monde est discret, probabiliste, fluctuant. On the other hand, quantum mechanic states that at the microscopic scale, the world is more discrete, probabilist, fluctuant. Di contro, la meccanica quantistica ci dice che, a livello microscopico, il mondo è discreto, probabilistico, fluttuante.

C'est d'ailleurs assez bien reflété dans les outils mathématiques qui sont utilisés par les deux théories D'altronde ciò si riflette bene negli strumenti matematici utilizzati dalle due teorie qui sont complètement différents. which are completely different. che sono completamente diversi

Deux théories aussi bien vérifiées mais qui sont incompatibles, Due teorie entrambe ben verificate ma che sono incompatibili,

les physiciens théoriciens détestent. è una fatto inviso ai fisici.

Si on pouvait remplacer ça par une seule théorie qui engloberait les deux, ça serait quand même vachement mieux. Se si potesse sostituire ciò con un unica teoria che le incorpora entrambe, sarebbe certo molto meglio.

Il faut voir que la volonté d'unifier ensemble des phénomènes You should know that he volunty to unify phenomenons together Peraltro, la volontà di unificare fenomeni diversi a toujours été un puissant moteur de compréhension. has always been a powerful motor of comprehension. è sempre stata un potente motore per la comprensione

Il y a l'exemple que j'ai donné tout à l'heure de Newton For instance the example I gave of Newton Vedi l'esempio di prima di Newton qui unifie le mouvement de la chute des corps avec celui du mouvement des planètes. che unifica il moto di caduta dei corpi con il moto dei pianeti

Mais il y a un autre exemple encore plus fou : Ma esiste un altro esempio ancora più folle:

James Maxwell, qui à la fin du 19ème siècle découvre l'électromagnétisme. James Maxwell, il quale alla fine del 19mo secolo scopre l'elettromagnetismo Il montre que l'électricité et le magnétisme des aimants ne sont que deux aspects d'un truc plus fondamental : He shows that electricity and magnetism are only two aspects of something more fundamental: mostra che elettricita e magnetismo delle calamite non sono che due spetti di una cosa più fondamentale: le champ électromagnétique. THE ELECTROMAGNETIC FIELD. il campo elettromagnetico

Et quelques années plus tard, il comprend que la lumière est une onde du champ électromagnétique. And some years later, he understands that light if a wave of the electromagnetic field. e qualche anno dopo, capisce che la luce è un'onda del campo elettromagnetico.

C'est-à-dire que d'un coup Maxwell unifie trois trucs qui avant étaient considérés comme indépendants : In una botta sola Maxwell unifica 3 cose che erano considerate distinte e indipendenti l'électricité, le magnétisme et la lumière. electricity, magnetism and light. l'elettricità, il magnetismo e la luce. Et ça lui permet d'ailleurs de comprendre qu'il doit exister And that allows him to understand that there must be other electromagnetic waves than visible light. E ciò gli consente di capire che debbono esistere altre onde elettromagnetiche d'autres ondes électromagnétiques que la lumière visible. oltre la luce visibile Et bah on les connaît aujourd'hui : les micro-ondes, les ondes radio, les rayons X. e oggi le conosciamo: sono le micro-onde, le onde radio, i raggi X. Bref, unifier des phénomènes, c'est un peu la classe mondiale en physique théorique. In brief, unifing phenomenons is the ultimate world swagg in theorical physics. In breve, unificare fenomeni è considerata tra le cose più fiche nel campo della fisica teorica. Alors on pourrait rétorquer que unifier la relativité générale et la mécanique quantique, Allora potremmo ribadire che dell'unificazione della relatività generale e della meccanica quantistica,

on s'en fout un peu. no one really gives a shit. in fin dei conti con ci importa più di tanto. On l'a dit, la relativité générale, c'est une théorie des objets très lourds. As we said, general relativity is a theory of extremely heavy objects Abbiamo detto che la relatività generale è una teoria degli oggetti molto massivi. À côté de ça, la mécanique quantique, c'est une théorie des objets très petits. che di contro, la meccanica quantistica è una teoria degli oggetti molto piccoli. Bah les objets très lourds, en général, ils ne sont pas très petits.. Well, very heavy objects are in general not very small... Mah, gli oggetti molto massivi in genere non sono molto piccoli ...

Ouais, sauf qu'il y a deux exceptions à cette règle. Yep, except that there're 2 exceptions to this rule. Si, salvo per due eccezioni a questa regola. La première, c'est ce qui se passe au centre des trous noirs. The first is what happens at the centre of black holes. La prima è ciò che succede al centro dei buchi neri. D'après la relativité générale, toute la matière qui tombe dans un trou noir Per la relatività generale, tutta la materia che cade in un buco nero va se concentrer en son centre, si concentra al suo centro,

en un point infinitésimal, in an infinitesimal point, in un punto infinitesimale,

un truc très lourd et très petit. a very heavy and very small thing. un qualcosa di molto pesante e molto piccolo

C'est ce qu'on appelle une "singularité". It's what's called a "singularity". E' ciò che viene chiamato una "singolarità". Autre singularité, les premiers instants du Big Bang. Other singularity: the 1st instants of the Big Bang. Altra singolarità: quella dei primi istanti del Big Bang.

On a vu tout à l'heure que si on utilisait les équations de la cosmologie, We saw before that if we use cosmology's equations Abbiamo visto prima che utilizzando le equazioni della cosmologia on arrivait à cette conclusion un petit peu étrange que, il y a 13,8 milliards d'années, si giungeva a questa conclusione un po' strana che, 13,8 miliardi di anni fa, l'univers aurait été un point infiniment dense. the Universe was an infinitely dense point. l'universo avrebbe dovuto essere costituito da un punto infinitamente denso. Oui, sauf qu'en fait on n'en sait rien. Si, a parte il fatto che non ne sappiamo nulla Puisque là on avait affaire à quelque chose qui était à la fois très lourd et très petit. But we don't know Perché in questo caso avevamo a che fare con qualcosa che era sia molto pesante che molto piccolo

Donc on ne peut pas juste utiliser les équations de la relativité générale, Quindi non si può utilizzare solamente le equazioni della relatività generale.

il faut prendre en compte aussi la mécanique quantique, dobbiamo prendere in considerazione ugualmente la meccanica quantistica,

il nous faut une théorie unifiée. We need a unified theory. ci serve una teoria unificata.

Pour comprendre les premiers instants du Big Bang, Per capire i primi stanti del Big Bang,

il nous faut une théorie de la gravité quantique. necessitiamo di una teoria della gravità, quantistica.

Bon ok assez papoté, on la fabrique cette théorie la gravité quantique ? Ok, enough of chit chat. Should we make this quantum gravity theory? Bene, bando alle ciance ! Allora la edifichiamo questa teoria della gravità quantistica ?

*jingle très funky* LOOP QUANTUM GRAVITY

Pour comprendre comment on peut construire une théorie la gravité quantique, Per capire come costruire una teoria della gravità quantistica

il faut bien réaliser que la relativité générale et la mécanique quantique qu'on veut unifier, ce sont deux théories qui ne se situent pas vraiment sur le même plan.

La relativité générale, c'est une théorie qui décrit une force, la "force de gravité" (on devrait d'ailleurs plutôt dire une "interaction"). En gros, on peut la comparer à la force électromagnétique.

La mécanique quantique, c'est pas une force, c'est plutôt un ensemble de principes qui nous disent comment une force va se comporter au niveau microscopique.

On l'a vu tout à l'heure avec l'exemple de l'atome d'hydrogène : on a la vision classique qui ne marche pas

et la mécanique quantique vient modifier cette vision pour nous dire comment

les choses se passent à petite échelle.

Donc il ne s'agit pas tellement d'unifier la mécanique quantique et la relativité générale, mais plutôt d'arriver à appliquer les principes de la mécanique quantique à la théorie de la relativité générale. Habituellement, on dit qu'il existe quatre forces fondamentales dans la nature : l'électromagnétisme - qui explique quasiment tout ce qu'on voit autour de nous - les forces nucléaires forte et faible - qui assurent notamment la cohésion des noyaux atomiques -

et la gravité - décrite par la relativité générale.

Et on peut faire avec ces forces ce qu'on a fait avec l'atome d'hydrogène, c'est-à-dire leur appliquer les principes de la mécanique quantique. Et comme ça on peut par exemple passer de l'électromagnétisme à sa version quantique ce qu'on appelle l' "électrodynamique quantique". On peut faire ça aussi avec la force nucléaire forte et on obtient la "chromodynamique quantique" et avec la force nucléaire faible.

Ces trois forces dans leurs versions quantiques forment ce qu'on appelle "le modèle standard de la physique des particules". Parce que tout ce qu'on comprend aujourd'hui du comportement des particules élémentaires s'explique par ce modèle. Tout ce qu'on voit dans les accélérateurs de particules jusqu'à la découverte du Boson de Higgs au CERN s'explique par le "modèle standard". Alors, appliquer les principes de la mécanique quantique, ça a marché avec

les trois premières forces.

Bah il n'y a plus qu'à faire ça avec la quatrième : la relativité générale. Ouais, sauf que c'est là que ça se corse... Je ne vous ai pas dit comment on fait pour passer d'une théorie à sa version quantique. Cette opération s'appelle la "quantification" et il existe une sorte de procédure pour la faire.

Elle a été décrite par un des grands génies de la mécanique quantique :

Paul Dirac.

Dirac a proposé une sorte de recette de cuisine qui permet de prendre une

théorie classique

et de fabriquer la théorie quantique correspondante.

Il y a deux problèmes avec cette recette.

Le premier, c'est qu'elle nous demande de construire des objets mathématiques qui sont beaucoup plus compliqués que ce qu'on avait au départ et donc l'arsenal mathématique à utiliser peut devenir vite assez effrayant. L'autre problème, c'est que la recette de Dirac, elle est vague. Elle nous dit ce dont on a besoin, mais elle ne nous dit pas comment faire pour le trouver.

Si on applique cette recette à l'atome d'hydrogène on trouve la théorie quantique de l'atome d'hydrogène, mais si on essaye de l'appliquer à l'électromagnétisme, et bien ça coince déjà. Dans le cas de l'électromagnétisme, cette difficulté a été contournée en se limitant à des situations où les champs ne sont pas trop intenses.

Ou bien, une autre manière de le dire, où il n'y a pas trop de particules qui interagissent. C'est ce qu'on appelle l'approche perturbative. C'est un peu comme si vous vouliez comprendre les mouvements de la mer et que vous décidiez prudemment de vous limiter à l'étude des vagues, mais en ignorant les phénomènes plus globaux comme les courants ou les tempêtes.

L'approche perturbative, elle est par exemple suffisante pour comprendre ce qu'il se passe dans les accélérateurs de particules. Et cette approche, on la doit notamment à un autre grand génie de la physique quantique :

Richard Feynman.

Feynman a notamment introduit un outil qui maintenant porte son nom :

les diagrammes de Feynman.

Il s'agit de petits dessins qui représentent les interactions entre les particules, et si vous ouvrez un livre de physique des particules, vous en verrez à quasiment toutes les pages.

Alors pourquoi je vous raconte tout ça ?

Et bien parce que la raison fondatrice qui fait que

construire une théorie de la gravité quantique c'est compliqué, c'est que l'approche perturbative ne marche pas avec la relativité générale. Si vous essayez quand même d'appliquer l'approche perturbative à la relativité générale, vous allez toujours trouver l'infini. C'est-à-dire que vous allez construire une théorie qui quelque soit la question que vous lui posez va vous répondre l'infini. Pas très pratique.

Ce résultat c'est vraiment l'acte de naissance des différentes approches au problème de la gravité quantique, parce qu'on avait une méthode - la méthode perturbative -

qui a très bien marché pour les trois premières forces

- l'électromagnétisme, force nucléaire faible et force nucléaire forte - mais qui ne marche pas avec la relativité générale.

Donc il faut trouver autre chose.

Et à partir de là, le monde se divise en deux catégories :

ceux qui décident de s'accrocher à l'approche perturbative et ceux qui décident de l'abandonner. Alors je ne vais pas vous reparler aujourd'hui de la théorie des cordes, j'ai déjà fait un épisode dessus. Mais ce qu'il faut savoir, c'est qu'en théorie des cordes, on essaie de préserver l'approche perturbative. Et pour ça, on change un peu les postulats de départ, et ça se fait

au prix de l'introduction de quelques petits trucs exotiques comme des minuscules cordes,

des dimensions supplémentaires

et puis un certain nombre de particules nouvelles : les particules supersymétriques.

Une bonne partie de ceux qui ont voulu essayer autre chose que la théorie des cordes

ont décidé de laisser tomber l'approche perturbative et de revenir à la recette initiale de Dirac.

Et c'est une des origines de la gravité quantique à boucles. Mais avant de vous parler de ça, il faut que je vous explique

pourquoi les chercheurs de ce domaine

ont de bonnes raisons de penser que la méthode perturbative

ne pouvait de toute façon pas fonctionner.

Toute la philosophie de la relativité générale, c'est que l'espace-temps n'existe plus en tant qu'arène fixe dans lequel se dérouleraient les choses, mais l'espace-temps est un objet lui-même changeant, dynamique. Il y a une jolie phrase qui résume ça :

"En relativité générale, la scène disparaît et devient un des acteurs." Quand vous voulez faire une approche perturbative, vous êtes obligé de réintroduire

une sorte de scène figée sur laquelle se produisent les perturbations.

Et pour les puristes de la relativité générale, ça trahit un de ces principes fondamentaux

et donc c'est pas étonnant que ça ne fonctionne pas bien. Ok très bien, mais comment on fait pour appliquer le programme de quantification

de Dirac à la relativité générale sans utiliser les perturbations ?

Et bien, c'est dur... Et c'est tellement dur que personne n'a jamais réussi ...jusqu'en 1986. *jingle très funky*

En 1986, un physicien indien, Abhay Ashtekar, propose quelque chose de nouveau.

Il propose de reformuler la théorie de la relativité générale.

C'est-à-dire qu'il prend les équations d'Einstein et il les ré-écrit différemment.

Mathématiquement, les variables et les équations qu'il utilise sont différentes, mais physiquement c'est la même théorie. Elle est équivalente à la relativité générale, elle fait les mêmes prédictions.

Mais sa nouvelle forme la fait ressembler un peu plus à l'électromagnétisme. Et c'est ça qui va débloquer l'application du programme de Dirac. Ça, et puis les boucles bien sûr.

Alors ce qui va venir est un peu technique, mais je suis quand même obligé de vous expliquer

d'où vient le terme de "boucles" dans la gravité quantique à boucles. On a vu que la théorie de la relativité générale porte sur la courbure de l'espace-temps, mais comment on fait pour savoir qu'on est dans un espace-temps courbé? Parce qu'on est dedans, donc c'est pas forcément facile de s'en rendre compte. Et bien, on fait des boucles.

Imaginez que vous soyez sur un plan, et que vous teniez à la main une flèche

- par exemple une flèche d'arc devant vous. Déplacez-vous tout droit pendant un moment puis arrêtez-vous

et prenez un virage à 90 degrés sans changer la position de la flèche.

Continuez à marcher tout droit, puis recommencez à faire un virage à 90 degrés

sans bouger la flèche, et ainsi de suite jusqu'à votre position initiale. À la fin, la flèche est dans la même position qu'au départ. Maintenant on va jouer au même jeu sur une sphère, qui est un espace courbe.

Déplacez-vous tout droit,

puis tournez à angle droit sans changer la direction de la flèche,

avancez,

tournez à nouveau sans changer la direction de la flèche,

puis revenez à votre point initial.

Et bien là, la flèche n'est plus dans la même direction qu'au départ, et ça c'est le signe qu'un espace est courbe. Quand dans un espace courbe on fait une boucle, c'est-à-dire un tour et qu'on revient à son point de départ, les vecteurs se retrouvent dans une position différente.

Alors tout ça peut vous paraître affreusement abstrait, mais ce qu'il faut retenir c'est que faire des boucles ça permet de sentir la courbure de l'espace-temps, ça permet même de la mesurer en fait.

Et donc en remplaçant la notion de courbure par la notion de boucle,

on arrive à débloquer la situation

et à appliquer le programme de Dirac

à la relativité générale reformulée par Ashtekar.

Alors évidemment je ne vais pas vous décrire toute la théorie,

mais, par analogie avec l'atome d'hydrogène, je voudrais vous en faire sentir les résultats principaux. Le résultat le plus spectaculaire, il a été obtenu par deux chercheurs :

un américain, Lee Smolin,

et un italien Carlo Rovelli.

Je vous ai dit qu'un des apports de la mécanique quantique à l'atome d'hydrogène c'est que les niveaux d'énergie sont quantifiés, discrets, et notamment il existe un plus petit niveau d'énergie. Et bien en gravité quantique à boucles, il se passe la même chose avec la géométrie de l'espace-temps. En gravité quantique à boucles, les grandeurs géométriques sont

quantifiées - les longueurs, les aires, les volumes.

Il existe par exemple une plus petite aire possible que puisse posséder une surface,

et elle peut posséder certaines valeurs discrètes pour son aire, mais pas les valeurs intermédiaires.

Alors ces dimensions géométriques minimales, elles sont toutes petites.

La plus petite longueur est d'environ 10^(-35) mètres, ce qu'on appelle la "longueur de Planck". Donc, évidemment, à notre échelle on ne voit pas la différence.

Ce que nous dit ce résultat, c'est que si on descend à l'échelle de la longueur de Planck, l'espace n'est plus continu mais il est discret. Il est fait de petits blocs indivisibles, des sortes de briques élémentaires de taille finie,

des espèces d'atomes d'espace. Pour représenter cette situation, on utilise un réseau qui symbolise

la manière dont les différents atomes d'espace sont reliés entre eux. Ce réseau, c'est un état quantique de la courbure de l'espace - on appelle ça un "réseau de spins". Une fois qu'on a compris ça, il y a une autre question essentielle : Comment cet espace évolue-t-il ? C'est-à-dire, à quoi ressemble l'espace-temps ? On a vu dans le cas de l'atome d'hydrogène que l'électron pouvait passer d'un niveau à un autre. Et bien ça se passe pareil avec notre représentation quantique de l'espace, on peut passer d'un réseau de spins à un autre. Et pour faire ça, il suffit d'imaginer une structure intermédiaire qui les relie - on appelle ça une "mousse de spins". Cette mousse de spin, c'est une représentation quantique de l'espace-temps. Et c'est important de comprendre que tout ça, c'est pas juste du dessin. En fait, derrière ces mousses de spins, il y a des équations

qu'on associe aux différents éléments la structure et qui permettent de décrire la probabilité que l'espace passe d'un état quantique à un autre. Et je vous passe évidemment les détails, mais ce qui reste c'est que la gravité quantique à boucles nous montre que l'espace-temps quantique n'est plus un truc lisse et continu comme en relativité générale. Il est fait de briques élémentaires de taille finie, quantifiées et qui sont fluctuantes

- qui peuvent sauter d'un état à un autre -, une sorte d'espace-temps bouillonnant. *jingle très funky*

Je vous ai décrit à grands traits la gravité quantique à boucles,

mais maintenant je voudrais vous expliquer la cerise sur le gâteau :

comment cette théorie va modifier notre vision du Big Bang ?

Dans les années 2000, il y a un jeune physicien qui s'appelle Martin Bojowald qui s'est amusé à appliquer les équations de la gravité quantique à boucles aux problèmes de la cosmologie,

et il a créé ce qu'on appelle la cosmologie quantique à boucles. Et je ne vais évidemment pas vous en donner les détails, mais je voudrais juste

vous faire comprendre les leçons qu'on en tire. La gravité quantique à boucles nous montre que l'espace-temps est fait de minuscules morceaux de taille finie, des atomes d'espace-temps. Une des conséquences de ça, c'est qu'on ne peut pas indéfiniment accumuler de la matière au même endroit.

Il y a une densité maximale qu'on peut atteindre : la densité de Planck. Cette densité, elle est monstrueuse :

c'est 5 x 10^96 kg/m3 c'est-à-dire "5" avec quatre-vingt-seize "0" derrière. Et cette densité maximum, elle change notre perception du Big Bang.

En cosmologie classique, quand on remonte vers le Big Bang, la densité est de plus en plus

élevée jusqu'à devenir soi-disant infinie. Mais en cosmologie quantique à boucles, la densité ne peut pas dépasser la densité de Planck,

donc quand on remonte dans le temps, au bout d'un moment ça coince. Et il se passe un peu la même chose qu'avec l'électron de l'atome d'hydrogène. Vous vous souvenez ?

L'électron ne peut pas aller s'écraser sur le proton parce qu'il ne peut pas descendre plus bas que le niveau fondamental, et donc tout se passe comme si il y avait une

espèce de force de répulsion quantique qui l'empêchait de s'approcher trop près du proton. Et bien c'est un peu la même chose qu'on a en cosmologie quantique à boucles, tout se passe comme si il y avait une espèce de force de répulsion qui empêchait de dépasser la densité de Planck.

Et donc ça change notre vision des débuts du Big Bang.

On passe d'une vision d'un Big Bang à ce qui pourrait être plus tôt un Big Bounce - un "grand rebond". Les calculs en cosmologie quantique à boucles nous montrent que l'univers à pu se créer de l'effondrement d'un univers précédent, rebondir à la densité maximale et s'étendre jusqu'à donner notre univers. Alors c'est encore spéculatif et les équations sont assez simplifiées, mais ça fait partie des possibilités.

Alors, mauvaise nouvelle ou bonne nouvelle, les calculs montrent que le rebond

a effacé toutes les traces du passé dans un espèce de grand bouillonnement quantique.

C'est-à-dire que, même si ça se révèle confirmé un jour, on aura pas de moyens de remonter pour savoir ce qu'était l'univers avant. *jingle très funky*

Voilà, vous en savez déjà beaucoup sur la gravité quantique à boucles,

il faut quand même retenir deux choses : la première, c'est que ça n'est qu'une tentative parmi d'autres, et la deuxième, c'est que tout est loin d'être complètement achevé dans cette théorie. Il y a encore plein de choses qu'on comprend pas et un certain nombre de choses qui, sur le plan mathématique, ne sont pas mises sur des bases solides.

Et puis de toute façon à la fin, ce sont quand même les résultats expérimentaux

qui trancheront et qui permettront de dire si la théorie est correcte ou pas.

D'ailleurs oui, parlons-en des résultats expérimentaux : sur quoi on va se baser pour vérifier cette théorie ? Et bah la première chose dont on peut se servir, c'est justement de la cosmologie. Vous savez peut-être que la meilleure preuve du scénario du Big Bang c'est le rayonnement du fond diffus cosmologique - qu'on appelle parfois le "rayonnement fossile". Et dans la manière dont ce rayonnement fluctue, on peut espérer trouver

des traces des premiers instants du Big Bang.

On est encore loin de pouvoir les discerner, mais récemment Abhay Ashtekar

et un physicien français, Aurélien Barrau,

ont réalisé des calculs pour essayer de comprendre quels seraient les signes de

la gravité quantique à boucles dans le rayonnement fossile.

Et c'est assez intéressant du point de vue de la philosophie des sciences, parce que ça veut dire que cette théorie, on peut la tester expérimentalement,

elle fait des prédictions - même si aujourd'hui on n'a pas encore la précision nécéssaire. L'autre moyen d'aller tester la théorie de la gravité quantique à boucles, ce serait d'aller sonder la structure de l'espace-temps. La situation, elle est assez proche de ce qu'on a avec la matière ordinaire. Si je prends un caillou et que je le regarde avec mes yeux ou même avec un microscope,

et bien il a l'air lisse, il a l'air fait de matière continue. Mais si je lui balance des rayons très énergétiques, comme des rayons x,

j'arrive à détecter sa structure discrète, son organisation en cristal, je vois ses atomes en quelque sorte. Et il pourrait se passer la même chose avec la structure discrète de l'espace-temps : si des rayons suffisamment énergétiques la traversent,

ils pourraient nous renseigner sur ces fameux atomes d'espace. Alors le problème, c'est que des rayons aussi puissants, on ne sait pas en fabriquer, mais ils peuvent se produire dans certains phénomènes astrophysiques et

donc on a peut-être une chance de capter des rayonnements très très

énergétiques qui portent en eux une signature de la structure quantique de l'espace-temps. Merci d'avoir suivi cette vidéo, si elle vous a plu n'hésitez pas à la partager, histoire qu'on ne parle pas toujours que la théorie des cordes. Comme souvent j'écris un petit billet qui accompagne cette vidéo et qui vous donnera quelques détails. Même si forcément je ne vais pas pouvoir tout expliquer.

Si vous aimez la physique fondamentale, j'ai pleins d'autres vidéos sur la chaîne qui en parlent. J'ai déjà parlé de Stephen Hawking, j'ai parlé de la théorie des cordes, de la mécanique quantique, des trous noirs, de la

constante cosmologique, de l'intrication quantique, etc. Une petite chose qu'il faut je précise avant qu'on m'en accuse c'est que je suis un petit peu partisan de cette histoire de gravité quantique à boucles

versus la théorie des cordes,

puisque en fait j'ai travaillé dans la gravité quantique à boucles, c'était mon sujet de thèse et j'ai eu la chance de travailler avec une partie des personnes dont j'ai parlé dans cette vidéo. Pour ceux qui voudraient me rencontrer en vrai,

je peux vous annoncer déjà que je serai le mercredi 5 octobre à l'Espace des Sciences à Rennes pour donner une conférence dans la salle Hubert Curien

donc voilà ça va être l'occasion de se voir là-bas. Comme toujours vous pouvez retrouver les actus de la chaîne sur facebook et twitter

et vous pouvez me souvenir sur Tipee. Merci à tous et à bientôt !