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L’Espace-Temps : une création d’acteurs bien connus ?

Ceci est le titre d’un article que j’ai obtenu sur le site de Phys.org. Je l’ai traduit et il est ci-joint, ci-dessous, dans son intégralité et en deuxième partie je commente les points sur lesquels je suis particulièrement attentif étant donné l’état de ma réflexion sur le sujet de l’Espace-Temps.

« Tout comme les interactions entre les grains de sable forment une surface lisse sur la plage, l'espace-temps connu par nous pourrait être le résultat de relations entre quarks et leurs conglomérats.

La plupart des physiciens estiment que la structure de l'espace-temps est formée d'une manière inconnue à l’échelle de Planck, c'est-à-dire à une échelle proche d'un milliardième de milliardième de milliardième de mètre. Cependant, des considérations pertinentes compromettent cette prédiction. En effet, il y a des arguments en faveur de l’émergence de l'espace-temps à la suite de processus qui se déroulent au niveau des quarks et de leurs conglomérats.

Qu'est-ce que l'espace-temps ? L'absolu, l’immuable, arène des événements ? Ou peut-être est-ce une création dynamique, qui émerge d'une certaine manière à une certaine échelle de distance, de temps ou d'énergie. Les références à l’absolu ne sont pas les bienvenus dans la physique d'aujourd'hui. A l’heure actuelle il est largement considéré que l'espace-temps est émergent. Ce n’est pas clair, cependant, où le processus de l’émergence se déroule. La majorité des physiciens tendent à supposer que l'espace-temps est créé à l’échelle de Planck, à une distance proche d'un milliardième de milliardième de milliardième de mètre (_~ 10^-35 m). Dans son article dans Fondations de la Science, professeur Piotr Zenczykowski de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie Polonaise des Sciences à Cracovie systématise les observations de nombreux auteurs sur la formation de l'espace-temps, et soutient que l'hypothèse de sa formation à l'échelle des quarks et des hadrons (ou agrégats de Quarks) est tout à fait raisonnable pour un certain nombre de raisons.

Les questions sur la nature de l'espace et du temps ont laissé perplexe l'humanité depuis au moins l'antiquité. Est-ce que l'espace et le temps sont séparés de la matière, créant un "container ", un contenant, pour les mouvements et les événements se produisant avec la participation des particules, comme Démocrite l’a proposé au Ve siècle av. J.-C. ? Ou bien ils sont les attributs de la matière et ne peuvent pas exister sans elle, comme Aristote l’a suggéré un siècle plus tard ? Malgré le passage des millénaires, ces questions n'ont pas été encore résolues. En outre, les deux approches, bien que contradictoires, sont profondément enracinées dans les piliers de la physique moderne.

En mécanique quantique, les événements se déroulent dans une arène rigide avec un temps d'écoulement uniforme. Tandis que, dans la théorie de la relativité générale, la matière déforme l'espace-temps élastique (étirement et torsion), et l'espace-temps indique aux particules comment se déplacer. En d'autres termes, dans une théorie, les acteurs entrent dans une scène déjà prête pour jouer leur rôle, tandis que dans l’autre théorie, ils créent leur scène au cours de la performance, qui à son tour influe sur leur comportement.

En 1899, le physicien allemand Max Planck remarqua qu’avec certaines combinaisons de certaines constantes de la nature, des unités de mesure très fondamentales pourraient être obtenues. Seulement trois constantes – la vitesse de la lumière c, la constante gravitationnelle G et de Planck constante h — suffisaient à créer des unités de distance, de temps et de masse, égaux (respectivement) à 1,62 · 10^-35m, 5,39 · 10^-44s et 2,18 · 10^-5g. Selon la croyance courante d'aujourd'hui, l'espace-temps serait créé à la longueur de Planck. En fait, il n’y a aucun argument de fond quant à la rationalité de cette hypothèse (sic).

A la fois les expériences les plus sophistiquées et les descriptions théoriques atteignent l'échelle des quarks, c'est-à-dire, le niveau de 10^-18m. Alors, comment savons-nous que sur le chemin de la longueur de Planck – plus d'une douzaine d’ordres de grandeur consécutifs, toujours plus petits, de magnitude — l'espace-temps conserve sa structure ? En fait, Nous ne sommes même pas sûrs si le concept de l'espace-temps est rationnel au niveau des hadrons ! Les divisions ne peuvent pas être réalisées indéfiniment, parce que à un certain stade, la question de la prochaine partie plus petite cesse de faire sens. Un exemple parfait ici est la température. Ce concept fonctionne très bien sur une macro-échelle, mais quand, après les divisions suivantes de la matière, nous atteignons l'échelle des particules individuelles, il perd sa raison d’être.

 "Actuellement, nous cherchons d'abord à construire une quantification, un espace-temps discret, puis « remplir » avec de la matière discrète. Cependant, si l'espace-temps était un produit des quarks et des hadrons, la dépendance serait inversée — le caractère discret de la matière devrait alors appliquer la discrétion de l'espace-temps" dit le professeur Zenczykowski. "Planck a été guidé par les mathématiques. Il voulait créer des unités avec le plus petit nombre de constantes possibles. Mais les mathématiques sont une chose, et la relation avec le monde réel est autre chose. Par exemple, la valeur de la masse de Planck semble suspecte. On s'attendrait à ce qu'elle ait une valeur bien plus caractéristique du monde des quanta. En attendant, elle correspond à environ un dixième de la masse d'une puce, ce qui est certainement un objet classique."

Puisque nous voulons décrire le monde physique, nous devons nous pencher sur la physique plutôt que sur des arguments mathématiques. Ainsi, lorsque nous utilisons les équations d’Einstein, nous décrivons l'univers aux grandes échelles, et il devient nécessaire d'introduire une constante gravitationnelle additionnelle, connue sous le nom de la constante cosmologique lambda. Par conséquent, toujours dans le but de construire des unités fondamentales, si nous élargissons l’ensemble original de trois constantes avec lambda, dans le cas de masses, nous obtenons non pas une mais trois valeurs fondamentales : 1,39 · 10^-65g, 2,14 · 10⁵⁶ g, et 0,35 · 10^-24g. La première de celle-ci est interprétée comme un quantum de masse, la seconde est au niveau de la masse de l'univers observable, et la troisième est similaire aux masses de hadrons (par exemple, la masse d'un neutron est de 1,67 · 10^-24g). De même, après avoir pris en compte lambda une unité de distance de 6.37 · 10^-15m (6.37 Fermi) apparaît, très proche de la dimension des hadrons.

"Jouer avec les constantes, cependant, peut être risqué, parce que beaucoup dépend des constantes que nous choisissons. Par exemple, si l'espace-temps était en effet un produit des quarks et des hadrons, alors ses propriétés, y compris la vitesse de la lumière, devraient être également émergente. Cela signifie que la vitesse de la lumière ne doit pas être parmi les constantes de base" dit le Prof. Zenczykowski.

Un autre facteur en faveur de la formation de l'espace-temps à l'échelle des quarks et des hadrons sont les propriétés des particules élémentaires elles-mêmes. Par exemple, le modèle standard n’explique pas pourquoi il y a trois générations de particules, d’où leurs masses proviennent, ou pourquoi Il y a ce qu'on appelle les nombres quantiques internes, qui incluent l’isospin, l’hypercharge et la couleur. Dans la représentation assurée par le Prof. Zenczykowski, ces valeurs peuvent être liées à un certain espace à 6 dimensions créé par les positions des particules et leurs impulsions. L'espace ainsi construit assigne la même importance aux positions des particules (matière) et à leurs mouvements (processus). Il s’avère que les propriétés des masses ou des nombres quantiques internes peuvent alors être une conséquence des propriétés algébriques de l'espace 6-D. De plus, ces propriétés expliqueraient aussi l'incapacité d’observer les quarks libres.

 "L'émergence de l'espace-temps peut être associée aux changements dans l'organisation de la matière se produisant à l’échelle des quarks et des hadrons dans le plus primaire espace de phase en six dimensions. Cependant, il n'est pas très clair ce qu'il faut faire ensuite avec cette image. Chaque étape subséquente nécessiterait d'aller au-delà de ce que nous savons. Et nous ne connaissons même pas les règles du jeu que la nature joue avec nous — il nous faut continuer de les deviner. Cependant, il semble très raisonnable que toutes les constructions commencent par la matière, parce que c'est quelque chose de physique et disponible expérimentalement. Dans cette approche, l'espace-temps ne serait que notre idéalisation de relations entre les éléments de la matière "dit le professeur Zenczykowski.

Plus d'informations : Piotr Zenczykowski, Quarks, Hadrons, et l'Espace-Temps Emergent, Fondations de la Science (2018). »

L’intérêt de cet article est franchement évident car il formule une hypothèse de la formation (émergence) de l’espace-temps originale. Que l’on adhère ou pas à l’hypothèse de Zenczykowski, son point de vue original mérite d’être analysé d’autant plus qu’il arrive à des ordres de grandeurs qui sont les miens. On peut considérer que ce genre de convergence n’est pas fortuit.

Lorsque l’auteur remarque qu’en mécanique quantique : les événements se déroulent dans une arène rigide, il nous rappelle que l’équation de Schrödinger, est une équation de la physique classique, indiquant que nous devons, faute d’alternative, décrire la mécanique quantique avec des outils mathématiques du monde classique car notre intelligence et nos connaissances se sont forgées dans une relation avec le monde de la nature à l’échelle de nos sens qui sont classiques. On peut dire que l’être humain est, brut de fonderie, un être classique. Lorsque l’auteur évoque la relation entre matière-espace-temps qui s’exprime avec la relativité générale, on peut aussi considérer que ceci est dans l’ordre des choses car l’être humain (et ses ancêtres) ne peut pas avoir une expérience du déplacement spatio-temporel ou de son immobilité sans que la force de gravitation soit effective. Ses points de vue sont basiques et utiles à rappeler.

Quand Zenczykowski affirme : « En fait, il n’y a aucun argument de fond quant à la rationalité de cette hypothèse. », il a parfaitement raison et il est vrai que l’on peut s’étonner de la persistance avec laquelle on continue d’attribuer du sens physique à ses grandeurs. Personnellement, je les ai toujours considérées comme des grandeurs hors-sols.

Ensuite, il indique que la longueur de 10^-18m[1] pourrait avoir la valeur d’une longueur limite. Moi-même, avec des considérations différentes j’arrive à la même valeur limite des distances ainsi que pour le temps de l’ordre de 10^-25 ou 10^-26s comme valeur limite en deçà de laquelle l’intelligence humaine devient aveugle et ne peut plus opérer. Actuellement le point aveugle physique est de l’ordre de 10^-21s. Constat qui est obtenu dans les détecteurs avec le Boson de Higgs. Il me semble que techniquement on peut encore gagner en précision mais le coût de ces gains de précision sont très élevés, ils le seront de plus en plus, et il y aura une valeur limite.

J’ai inféré cette valeur limite de l’intervalle de temps en considérant que sur la flèche du temps on peut aisément concevoir l’intervalle de 1 seconde[2] de l’instant présent qui sépare le temps passé du temps futur. Les deux bornes qui délimitent la partie du passé de la partie du futur sont disjointes par la durée d’une seconde. Si on subdivise indéfiniment cette durée d’une seconde on obtient un état où les deux bornes se touchent et le temps passé se déverserait directement dans le temps futur. Or celui qui mesure le temps, il le fait durant l’instant présent, en sa présence, entre passé et futur donc il doit toujours y avoir une durée présente indivisible qui est celui de la présence humaine active, le physicien, qui interdit que les deux bornes délimitant la flèche du temps en deux valeurs distinctes ne se touchent. Mais il y aura à coup sûr une limite qui ne pourra jamais être dépassée. Quels que soient les moyens techniques mis en œuvre, on butera sur un intervalle de temps indivisible car une présence est requise pour assurer la mesure et faire de la physique. L’opération de mesure ne peut pas être instantanée, c’est-à-dire ne peut pas se faire pendant une « durée » effective strictement égale à zéro seconde.

Mon raisonnement est développé en regard des contraintes de l’observateur, celui de Zenczykowski est développé en regard des contraintes de la matière mais nos conclusions convergent.

Quand il est prononcé dans l’article la phrase suivante : « Mais les mathématiques sont une chose, et la relation avec le monde réel est autre chose. » Cette appréciation est loin d’être banale car elle précise un clivage très important tout autant entre physiciens qu’entre mathématiciens. En effet la majorité de ceux-ci pensent que la relation avec le monde réel ce sont les mathématiques. Cette pensée est colportée depuis Platon, relayée par Galilée, puis Descartes, puis Kant, etc… ; etc… C’est une minorité qui considère que les mathématiques ne sont que des outils formels. Ces points de vue philosophico-épistémologique différents sont très déterminants sur la façon dont on pense a priori les lois de la nature et la représentation que l’on se figure de cette nature.

« Cela signifie que la vitesse de la lumière ne doit pas être parmi les constantes de base » dit le Prof. Zenczykowski. Puisque l’auteur interroge le bien fondé de considérer la vitesse de la lumière comme constante de base car elle serait déterminée par les conditions et les causes de l’émergence de l’espace-temps, je propose que l’on réfléchisse au statut de l’universalité de cette constante. Statut qui semble figé jusqu’à présent. Ce qui est assuré, c’est que l’univers que nous sommes capables actuellement de décrire, d’objectiver, est celui qui comprend de la matière baryonique et c’est de celle-ci dont toutes les parties de notre corps sont constituées et nous sommes en conséquence déterminés par les lois internes qui régissent ses constituants élémentaires et ses assemblages avec toutes les complexités possibles. Nous sommes donc en tant qu’émetteur et récepteur de lumière parfaitement sensibles aux rayonnements de cette matière de base. Notre intelligence prospective ne peut se référer qu’aux rayonnements de cette nature. Cela semble être pour nous une détermination absolue et vouloir la surpasser est donc totalement iconoclaste (voir article du 31/07/2013 : Être de lumière et intelligence des lumières ?). Je prétends qu’il est possible de la surpasser et nous sommes peut-être déjà au seuil de ce dépassement avec nos capacités actuelles de spéculer sur l’hypothèse du multivers. Je m’explique, l’idée qu’il existerait d’autres univers avec des propriétés physiques autres que celle de l’univers qu’actuellement nous concevons, n’est plus (en tous les cas, l’est moins) rejetée et je considère que cela progresse avec rigueur dans le bon sens[3]. Je considère que dès que nous aurons réuni suffisamment d’indications sur l’existence de tels autres univers, ils seront, de fait, intégrés dans notre nouvel univers qui résultera de la somme des nouveaux compris par notre intelligence en évolution et de celui qui est le piédestal actuel de notre spéculation. Dans ce cadre nouveau la vitesse de la lumière en tant que rayonnement n’aura plus le statut de constante universelle.

« Dans cette approche, l'espace-temps ne serait que notre idéalisation des relations entre les éléments de la matière » Pour conclure, je suis d’accord avec cette affirmation car il est évident que nous projetons, et nous ne pouvons pas faire autrement que de projeter nos connaissances qui sont les plus avancées des relations entre les éléments de la matière. Les relations entre les éléments de la matière telles que notre discours scientifique en dit, correspondent à l’état de nos connaissances actuelles et ne doivent pas être considérées comme correspondant à une quelconque ontologie.

Ce que l’auteur nous dit aussi c’est que l’espace-temps est un référentiel essentiel pour décrire ces relations. Cet espace-temps est notre ‘propre’, il n’est pas donné dans la nature, et c’est à partir de celui-ci que notre pensée, se structure, structure, prospecte et spécule avec le plus juste propos.