Cosmologie en crise : entretien avec Sean Gryb

Sean Gryb est l’un des trois jeunes physiciens impliqués dans le développement d’une alternative théorique pour décrire le cosmos. Cette cosmologie nouvelle initiée par Barbour est dénommée dynamique des formes. J’ai saisi l’occasion pour poser quelques questions à Sean qui s’est prêté au jeu comme précédemment son confrère Tim Koslowski. Des questions en fait plus générales et portant parfois sur les énigmes et crises de la cosmologie contemporaine.


Q1. Un des grands résultats de la cosmologie quantique, c’est la correspondance AdS/CFT généralisée comme dualité gravité/jauge, à laquelle j’ajoute vos propres résultats obtenus indépendamment en tant que dualité RG/SD. Pensez-vous que ces dualités représentent une conjecture centrale en cosmologie quantique au même titre que la dualité ondes et particules a été centrale pour la mécanique quantique basique dans les années 1920 ?

S.G. Il est difficile de comparer ces deux dualités. Ni se prononcer définitivement tant la relation entre les observations en cosmologie quantique et les prédictions holographiques pose des questions non résolues. La renormalisation holographique suppose de voir l’univers avec une vision radicalement originale et cette vision requiert beaucoup d’effort pour acquérir une signification précise. Le contraste avec la dualité quantique onde et particules est saisissant. Cette dualité rend compte des expériences alors que la dualité jauge et gravité demande beaucoup d’investigation avant de pouvoir expliquer le cosmos, si jamais elle peut le faire.


Q2. Vous avez établi une dualité gravité/CFT à partir de la dynamique des formes et donc dans un cadre conceptuel étranger à la théorie des cordes d’où est issue la correspondance AdS/CFT. Pourtant, les deux dualités ont une propriété commune : la gravité peut renormaliser une théorie du champ conforme. Est-ce la conséquence d’une redondance mathématique issue d’une consistance dans les théories physiques ou bien le signe que cette dualité est l’expression d’une propriété fondamentale de la Nature qui n’a pas été encore découverte ?

S.G. En l’état actuel des recherches, je pense que la correspondance gravité/CFT et plus généralement les autres formes de dualité traduisent la possibilité de décrire un même système physique avec deux cadres formels différents mais qui sont issus des mêmes principes mathématiques. Cette configuration des théories cosmologiques n’implique pas nécessairement qu’elles décrivent des situations physiques identiques. Néanmoins, je ne peux m’empêcher de penser que cette dualité permet d’effectuer des calculs dans une moitié lorsque dans l’autre moitié, les calculs ne peuvent être réalisés.


Q3. Vous avez écrit que la dynamique des formes est développée au sein d’une ontologie réduite. Deux questions. Peut-on considérer la cosmologie comme une théorie de l’espace-temps plutôt que comme une théorie dont les objets sont les forces gravitationnelles ? Et sur le plan ontologique, la dynamique des formes est-elle plus en phase avec un relationnisme dérivé de Leibniz plutôt qu’un substantivalisme dérivé de Newton ? Il me semble que si l’on interprète la dynamique des formes dans des termes relationnistes, alors c’est le temps et non l’espace qui est une abstraction reliant les masses dans l’univers.

S.G. Premièrement, la dynamique des formes ne repose pas forcément sur une ontologie réduite. En fait, elle est formulée comme une théorie décrivant une géométrie conforme qui obéit à certaines invariances ; c’est une théorie avec jauge. Pour répondre à votre première question, effectivement, la cosmologie ne peut être expliquée que par la relativité générale qui est une théorie décrivant une géométrie spatiotemporelle dynamique et non une théorie dans laquelle une « force » gravitationnelle est nécessaire. Ne connaissant pas assez le substantivalisme, je ne peux répondre à votre seconde question mais juste préciser qu’effectivement, la dynamique des formes s’inspire d’un relationnisme comme celui de Leibniz, eu égard à l’espace et ses échelles locales.


Q4. L’étrange paradoxe de la matière et l’espace-temps. L’univers a deux pôles, la matière et l’étendue spatiotemporelle. Dans la correspondance AdS/CFT, le pôle matériel CFT (qui contient la description de fermions) possède une dimension de moins que le pôle spatiotemporel AdS. Sans le contexte de la dynamique des formes, une dimension apparaît et l’espace devient un espace-temps grâce à la matière (votre article publié in : arXiv : 1110.3837). Et donc, dans la dualité dérivée des cordes, une dimension disparaît et la gravité avec quand la matière est impliquée alors que dans le développement issu des formes, la matière permet à une dimension temporelle d’émerger. Pourquoi ?

S.G. N’étant pas auteur du papier que vous citez, je ne ferai pas de commentaire sur le sens de la correspondance AdS/CFT qui s’y manifeste. Ce qu’on peut dire néanmoins, c’est que dans les deux moitiés de la correspondance, la matière et l’espace-temps sont présents. La différence, c’est que dans un cas, la structure spatiotemporelle est statique, alors que dans le second cas, cette structure est déterminée par la disposition de la matière. Si maintenant on considère la dynamique des formes, le constat que j’ai proposé est aussi valable à une différence près (qui n’est pas un point de détail, ndt.) ; il faut en effet reconstruire la structure spatiotemporelle en tenant compte des mouvements de la matière. Il faut noter que dans l’élaboration de la dynamique des formes, une certaine notion du temps est introduite, ou du moins une notion de succession (les formes succèdent à d’autres, ndt.). La matière ne fait pas « disparaître » une dimension dans la théorie des cordes, pas plus qu’elle ne permet l’« émergence » d’une dimension dans la dynamique des formes.


Q5. Peut-on penser que la cosmologie en 2014 est dans une situation similaire à la physique des années 1910, quelques années avant les équations d’Einstein et la mécanique quantique ? Est-il possible de décrire notre univers en nous passant de la métrique gμυ utilisée dans l’équation d’Einstein ? Par exemple, en remplaçant la métrique gμυ par les tétrades de Dirac comme le suggère Carlo Rovelli dans un curieux article où les fermions peuvent « détecter » un anti-espace-temps ?

S.G. Ne connaissant pas assez les travaux de Rovelli, ni du reste l’histoire de la physique au siècle précédent, je ne livrerai pas d’avis pertinent sur ces sujets. Mais il semble, en jetant un coup œil sur les deux physiques, celles de 1914 et du début du 21ème siècle, qu’un trait commun les caractérise. Il manque un ensemble de faits expérimentaux solides pour orienter les théories. En fait, la cosmologie nous offre un large spectre d’anomalies plutôt embarrassantes du genre matière noire ou énergie sombre. Il se peut bien qu’un nouveau paradigme théorique soit élaboré pour avancer d’une case significative dans la description du cosmos.


Q6. Dans la physique contemporaine apparaissent deux notions, le vide quantique en théorie quantique des champs et le vide cosmologique (énergie du vide liée à la constante cosmologique). Que devient cette constante dans le contexte de la dynamique des formes ? Et ces deux catégories de vide induisent-elles une conjecture universelle reliant QFT, électromagnétisme et gravité ?

S.B. Pour répondre à votre première question, je dirais que la constante cosmologique ne joue pas un rôle des plus intéressants dans la dynamique des formes. Néanmoins, nous cherchons quelle est la signification de cette constante dans le cadre de notre théorie. Pour le reste, je n’ai pas en tête une quelconque conjecture universelle.


Q7. Si les shapes (formes) sont dans un certain sens des éléments volumiques (feuillets 3D invariants par transformation de Weyl), peut-on voir un lien avec les branes D-3 impliquées dans la dualité AdS/CFT ?

S.G. En l’état actuel des choses, les formes ne peuvent en aucune manière être assimilées à des volumes. Les « shapes » décrites par la dynamique des formes renvoient à des degrés de liberté qui sont indépendant des volumes localisés. Je n’ai pas conscience d’un lien entre les branes et les formes et je soupçonne même ces deux concepts d’être étrangers l’un à l’autre.


Q8. L’univers est-il gouverné par des « lois entropiques » plutôt que par des lois dynamiques ? Si c’est le cas, la dynamique peut-elle être interprétée comme une physique dérivée d’une physique plus fondamentale écrite en terme de théorie de l’information ?

S.B. C’est une bonne question ! Certainement, nombre de scientifiques se sont laissés gagner par ce type de conjecture mais rien n’en est sorti pour l’instant. Mais pour livrer une opinion, je serai d’avis de considérer que la notion d’entropie ne devrait pas être centrale et qu’il faudrait éviter de nous focaliser sur cette notion. De plus, je pense sérieusement que l’information n’est pas la notion appropriée pour rendre compte de la richesse de notre monde. Après tout, l’information n’a de sens que lorsqu’elle est une information sur quelque chose.


Q9. Pensez-vous que la cosmologie quantique puisse avoir un intérêt dans d’autres domaines, par exemple l’origine de la vie ou l’apparition de la conscience ?

S.B. Encore une bonne question à laquelle je ne peux donner une réponse définitive. Certainement, l’univers était à l’origine un système complexe, peut être similaire aux systèmes biologiques. Toutefois, les connaissances des origines de l’univers, de la vie et de l’apparition de la conscience sont trop lacunaires pour permettre de tirer une conjecture englobant ces trois domaines. Beaucoup de recherches supplémentaires doivent être effectuées.


Q10. Faut-il concevoir deux catégories de temps pour une description complète de la Nature. L’une liée au domaine phénoménal et l’autre au royaume ontologique ?

S.B. Je n’en ai aucune idée.

Les remarques et réponses livrées par Gryb confirment vaguement la thèse d’une physique en crise et plus spécialement la cosmologie, dans ses développements quantiques. Quelques hésitations sur les mathématiques et les modèles, interprétés plutôt comme outils pour capter les réalités physiques mais plane la possibilité d’un nouveau paradigme. L’idée que je retiendrai concerne la dualité jauge/gravité qui m’a conduit à quelque distorsion d’interprétation, notamment sur la question (pertinente mais que j’ai mal formulée) des dimensions qui apparaissent et disparaissent. Je crois que la solution passe par un examen de ces notions d’espace et de temps, qui sont propres à l’Etendue mais qui « vacillent » lorsque la Matière est de la « partie ». Cette solution consiste alors à contourner les notions classiques d’espace et de temps pour les remplacer par la notion plus générale et universelle de degré de liberté, notion qui convient du reste aux modèles et dualités utilisant les jauges. 

Si une chose se confirme dans ces quelques remarques émises par Gryb, c’est que la physique est toujours scindée en deux, avec (i) une physique quantique qui est précise et prédictive, avec une masse considérable de vérifications expérimentales mais une énigme majeure, celle des réalités qu’elle décrit et qui échappent à la compréhension. Et (ii), une cosmologie relativiste dont les résultats astronomiques sont conséquents mais avec quelques énigmes non pas d’ordre ontologique mais de nature expérimentale, avec des observations et des questions sur la matière noire, la constante cosmologique, etc. Néanmoins, la signification physique de la cosmologie relativiste semble claire, du moins en apparence. Au final, une physique efficace et précise dont on ne connaît pas le sens physique et une cosmologie partiellement en crise avec un sens physique qui me paraît provisoire.