Sur l`Origine de l`Univers
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Sur l’Origine de l’Univers Karim NOUI Laboratoire de Mathématiques et de Physique Théorique Encas de physique - Avril 2014 Karim NOUI Sur l’Origine de l’Univers 1/17 De quoi parle-t-on ?... Quand on parle de l’origine ! La singularité originelle : il y a presque 15 milliards d’années . La gravitation n’est plus prédictive : elle atteint ses limites Encas de physique - Avril 2014 Karim NOUI Sur l’Origine de l’Univers 2/17 A l’aube d’une révolution scientifique ? BICEP2 remonte le temps jusqu’ 10−35 s après le big bang ! Le 16 mars : découverte des ondes gravitationnelles primordiales . Si ce résultat est confirmé (d’ici un an...) alors . Ce serait une mise en évidence directe de l’inflation cosmique . Surtout une promesse de voir l’Univers tel qu’il était à son tout début Encas de physique - Avril 2014 Karim NOUI Sur l’Origine de l’Univers 3/17 A l’aube d’une révolution scientifique ? BICEP2 remonte le temps jusqu’ 10−35 s après le big bang ! Le 16 mars : découverte des ondes gravitationnelles primordiales . Si ce résultat est confirmé (d’ici un an...) alors . Ce serait une mise en évidence directe de l’inflation cosmique . Surtout une promesse de voir l’Univers tel qu’il était à son tout début Un bon spectaculaire dans le passé le plus lointain . Age de l’Univers : 15 milliards d’années ' 5 × 1017 s . Le CMB a permis de remonter jusqu’à 380 000 ans ' 1, 2 × 1013 s . Le CERN reproduit les conditions qui y régnaient 10−10 s . BICEP2 verrait les fossiles de l’Univers formés 10−35 s ! ! ! Encas de physique - Avril 2014 Karim NOUI Sur l’Origine de l’Univers 3/17 A l’aube d’une révolution scientifique ? BICEP2 remonte le temps jusqu’ 10−35 s après le big bang ! Le 16 mars : découverte des ondes gravitationnelles primordiales . Si ce résultat est confirmé (d’ici un an...) alors . Ce serait une mise en évidence directe de l’inflation cosmique . Surtout une promesse de voir l’Univers tel qu’il était à son tout début Un bon spectaculaire dans le passé le plus lointain . Age de l’Univers : 15 milliards d’années ' 5 × 1017 s . Le CMB a permis de remonter jusqu’à 380 000 ans ' 1, 2 × 1013 s . Le CERN reproduit les conditions qui y régnaient 10−10 s . BICEP2 verrait les fossiles de l’Univers formés 10−35 s ! ! ! Des perspectives gigantesques sur une nouvelle physique . On touche aux fondements de la physique . Beaucoup d’excitations : 140 articles postés depuis le 16 mars... . + autant d’articles grand publics, blog, etc... Encas de physique - Avril 2014 Karim NOUI Sur l’Origine de l’Univers 3/17 Un survol de la présentation Vers une théorie de la gravitation quantique Introduction : à propos de BICEP2 1. Sur la nécessité d’une théorie de la gravitation quantique Les singularités de l’espace-temps 2. Inclure la gravitation dans le paradigme quantique Des difficultés conceptuelles, mathématiques et techniques 3. La gravitation quantique à boucles Fondements et conséquences en cosmologie Conclusion : où va-t-on maintenant ? Encas de physique - Avril 2014 Karim NOUI Sur l’Origine de l’Univers 4/17 Nécessité d’une théorie de la gravitation quantique Pourquoi la gravitation perd son pouvoir prédictif ? L’infiniment grand rencontre l’infiniment petit . Tout l’Univers est contenu dans un volume extrêmement petit . Les effets quantiques deviennent très importants . C’est le lieu de l’unification des interactions fondamentales . Le même phénomème se produit au centre des trous noirs Encas de physique - Avril 2014 Karim NOUI Sur l’Origine de l’Univers 5/17 Nécessité d’une théorie de la gravitation quantique La physique quantique au secours de la gravitation La physique quantique est un régulateur : . L’atome classique est nécessairement instable Les électrons devraient s’écraser sur le noyau . La physique quantique prévoit l’existence d’un niveau fondamental : L’atome est donc stable Encas de physique - Avril 2014 Karim NOUI Sur l’Origine de l’Univers 6/17 Nécessité d’une théorie de la gravitation quantique La physique quantique au secours de la gravitation La physique quantique est un régulateur : . L’atome classique est nécessairement instable Les électrons devraient s’écraser sur le noyau . La physique quantique prévoit l’existence d’un niveau fondamental : L’atome est donc stable Plus précisément, un objet de masse M et de taille ` est . Gravitationnel si 2GM M ` ∼ rs = 2 ' 3000 (m) c M . Quantique (et relaviste) si h Me ` ∼ λc = = 2, 5.10−12 (m) Mc M √ . Les deux en même temps si ` ∼ rs λc = `P ' 1, 6.10−35 m Encas de physique - Avril 2014 Karim NOUI Sur l’Origine de l’Univers 6/17 Inclure la gravitation dans le paradigme quantique Prendre en compte les trois constantes fondamentales Encas de physique - Avril 2014 Karim NOUI Sur l’Origine de l’Univers 7/17 Inclure la gravitation dans le paradigme quantique Des problèmes conceptuels fondamentaux On doit repenser l’espace-temps . Incompatibilité entre physique quantique et gravitation . Qu’est-ce qu’un espace-temps quantique ? . L’espace et le temps ne sont plus du tout tels qu’on les connait... . Le problème du temps est très important Encas de physique - Avril 2014 Karim NOUI Sur l’Origine de l’Univers 8/17 Inclure la gravitation dans le paradigme quantique Des problèmes à tout point de vue Point de vue technique . Les équations de la gravitation classique sont redoutables... . Celles de la gravitation quantique le sont encore bien plus ! Encas de physique - Avril 2014 Karim NOUI Sur l’Origine de l’Univers 9/17 Inclure la gravitation dans le paradigme quantique Des problèmes à tout point de vue Point de vue technique . Les équations de la gravitation classique sont redoutables... . Celles de la gravitation quantique le sont encore bien plus ! Point de vue mathématique . Si on connaı̂t le cadre mathématique de la gravitation (géométrie) . Celui de la gravitation quantique reste certainement à inventer... . Des candidats : géométrie non-commutative, cordes, boucles etc... Encas de physique - Avril 2014 Karim NOUI Sur l’Origine de l’Univers 9/17 Inclure la gravitation dans le paradigme quantique Des problèmes à tout point de vue Point de vue technique . Les équations de la gravitation classique sont redoutables... . Celles de la gravitation quantique le sont encore bien plus ! Point de vue mathématique . Si on connaı̂t le cadre mathématique de la gravitation (géométrie) . Celui de la gravitation quantique reste certainement à inventer... . Des candidats : géométrie non-commutative, cordes, boucles etc... Point de vue expérimental . Jusqu’à peu, aucun guide expérimental . Aucune possibilité de reproduire les conditions de l’origine sur Terre Encas de physique - Avril 2014 Karim NOUI Sur l’Origine de l’Univers 9/17 La gravitation quantique à boucles La gravitation est une théorie fondamentale La stratégie d’unification : . Les principes de la gravitation restent vrais à l’échelle de Planck . Les règles de quantification sont profondément modifiées . Equation de “Schrödinger” gravitationnelle : Wheeler-De Witt . La géométrie quantique s’exprime comme un opérateur qui agit sur des ‘fonctions d’onde” de l’espace-temps Encas de physique - Avril 2014 Karim NOUI Sur l’Origine de l’Univers 10/17 La gravitation quantique à boucles La gravitation est une théorie fondamentale La stratégie d’unification : . Les principes de la gravitation restent vrais à l’échelle de Planck . Les règles de quantification sont profondément modifiées . Equation de “Schrödinger” gravitationnelle : Wheeler-De Witt . La géométrie quantique s’exprime comme un opérateur qui agit sur des ‘fonctions d’onde” de l’espace-temps Les états de gravitation quantique : des mousses de spins Encas de physique - Avril 2014 Karim NOUI Sur l’Origine de l’Univers 10/17 La gravitation quantique à boucles L’espace est discontinu à l’échelle de Planck Reproduire l’espace à partir des graphes . Les liens représentent des surfaces, les points des volumes . L’aire et le volume ont un spectre discontinu . Il existe une surface et un volume minimal . Résolution des singularités ! Encas de physique - Avril 2014 Karim NOUI Sur l’Origine de l’Univers 11/17 Conclusion Où va-t-on maintenant ? Comprendre les singularités de l’espace-temps en profondeur . Le “big bang” devient un “big bounce” : l’Univers rebondit ! . La thermodynamique des trous noirs devient intelligible Encas de physique - Avril 2014 Karim NOUI Sur l’Origine de l’Univers 12/17 Conclusion Où va-t-on maintenant ? Comprendre les singularités de l’espace-temps en profondeur . Le “big bang” devient un “big bounce” : l’Univers rebondit ! . La thermodynamique des trous noirs devient intelligible Vérification expérimentale ? ? ? Voir C. Rovelli... Encas de physique - Avril 2014 Karim NOUI Sur l’Origine de l’Univers 12/17 Les Annexes 1 Les reliques de l’origine de l’Univers 2 L’atome classique 3 L’atome quantique 4 L’espace-temps déformé Encas de physique - Avril 2014 Karim NOUI Sur l’Origine de l’Univers 13/17 Les reliques de l’origine de l’Univers Ondes gravitationnelles primordiales imprimées dans le fond diffus . Traces dans la polarisation des ondes électromagnétiques . On accède aux tous premiers instants... Encas de physique - Avril 2014 Karim NOUI Sur l’Origine de l’Univers 14/17 L’atome classique Instabilité due au rayonnement . Particule chargée accélérée 90 Encas de physique - Avril 2014 Karim NOUI Sur l’Origine de l’Univers 15/17 L’atome quantique Niveaux d’énergie quantifiés Encas de physique - Avril 2014 Karim NOUI Sur l’Origine de l’Univers 16/17 L’espace-temps déformé Déformation de l’espace-temps jusqu’au trou noir Encas de physique - Avril 2014 Karim NOUI Sur l’Origine de l’Univers 17/17
