La gravité sans Einstein : entretien avec Tim Koslowski

Tim Koslowski a soutenu un doctorat de physique en 2008. Il est l’un des acteurs de cette cosmologie nouvelle et alternative désignée comme dynamique des figurations (shape dynamics, SD). Je le remercie d’avoir répondu à ces quelques questions portant sur les résultats de la cosmologie quantique, la dynamique des figurations, la gravité, l’espace, le temps ainsi que la description de l’univers.

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 ?

T.K. Pour être honnête, je ne suis pas satisfait de cette connexion entre la dynamique des figurations (SD) et la conjecture AdS/CFT. Sur ce point, j’ai une vue personnelle qui tranche avec celle de mes confrères co-signataires et je ne souhaite pas m’exprimer publiquement sur ce sujet. Sinon, depuis deux décennies, une hypothèse gouverne la physique contemporaine. C’est l’observation que l’espace-temps n’est pas quelque chose de fondamental. C’était une découverte importante en mécanique quantique dans les années 1920 et ça l’est aussi maintenant dans le contexte de la correspondance AdS/CFT et de la dynamique des figurations. Mais pour des raisons bien distinctes.

Q2. Vous avez établi une dualité gravité/CFT à partir de la dynamique des figurations 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 ?

T.K. La dualité tirée à partir de la dynamique des figurations est sensiblement différente de la correspondance AdS/CFT dont je ne comprends pas bien l’origine. Je n’y vois pas d’explication fondamentale excepté la conséquence du principe holographique. A l’inverse, la dualité SD/RG issue des figurations s’explique par une certaine redondance liée notre description de la géométrie d’espace et qui suppose par ailleurs qu’un dimensionnement local n’est pas indispensable pour décrire la gravité (ndt. c’est la forme et non pas la taille qui importe en SD).

Q3. Vous avez écrit que la dynamique des figurations 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 figurations 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 figurations dans des termes relationnistes, alors c’est le temps et non l’espace qui est une abstraction reliant les masses dans l’univers.

T.K. Pour le dire brièvement, la dynamique des figurations tente de décrire la gravité sur des bases relationnistes dérivées de Leibniz. Cette voie est praticable mais elle impose considérer la gravité d’une manière non conventionnelle : la gravité ne se conçoit plus comme une géométrie spatiotemporelle qui résout les équations d’Einstein mais plutôt, à un niveau bien plus fondamental, ce qui détermine l’évolution de la géométrie spatiale conforme (ndt. qui conserve les angles).

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 figurations, une 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 figurations, la matière permet à une dimension temporelle d’émerger. Pourquoi ?

T.K. La raison, c’est la conception très différente de la dualité dans le doublet AdS/CFT et notre doublet SD/RG. Comme je m’en suis expliqué précédemment, l’espace-temps n’existe pas dans la dynamique des figurations mais on le déduit du mouvement de la matière au sein de la géométrie spatiale conforme. Et donc, dans la dynamique des figurations, l’espace-temps n’est juste qu’une illusion produite par la matière. A l’inverse, dans la correspondance AdS/CFT, l’espace-temps existe sur les deux moitiés de la dualité. Le fait qu’une dimension s’effondre s’explique par le caractère holographique de la description.

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 g utilisée dans l’équation d’Einstein ? Par exemple, en remplaçant la métrique g par les tétrades de Dirac comme le suggère Carlo Rovelli dans un curieux article où les fermions peuvent « détecter » un anti-espace-temps ?

T.K. Les résultats de Rovelli sont obtenus dans un contexte où l’espace-temps est encore fondamental, tout en contenant des régions dans lesquelles les fermions peuvent évoluer dans des directions opposées (ndt. Koslowski fait allusion aux antiparticules qu’on peut comprendre comme évoluant avec une flèche du temps inversée). La dynamique des figurations est d’une certaine manière beaucoup plus radicale car elle abandonne l’espace-temps dont le statut est celui d’une abstraction dérivée. Pour aller plus loin dans la controverse, je dirais même que le mouvement de la matière dans « certains régimes » engendre l’illusion d’un espace-temps qui en vérité n’est pas réellement présent. Si la dynamique des figurations est la théorie qui décrit la réalité, alors ce qui est présent, c’est la matière qui « évolue » en concordance avec la géométrie spatiale conforme.

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 figurations ? Et ces deux catégories de vide induisent-elles une conjecture universelle reliant QFT, électromagnétisme et gravité ?

T.K. Il y a un décalage entre la constante cosmologique déduite de l’observation et celle prévue par les calculs (« naïvement » non renormalisés) de cette constante. Dans le contexte de la dynamique des figurations, la constante cosmologique a une toute autre interprétation. Elle n’est pas directement reliée à l’énergie du vide mais apparaît à travers une constante de couplage qui dépend du temps. En adoptant un point de vue provisoire sur le grand puzzle de l’univers, la dynamique des figurations ne se soucie pas trop de la constante cosmologique. Une nouvelle conception du puzzle se dessine mais doit se préciser avec une investigation plus poussée à partir de la dynamique des figurations.

Q7. Si les shapes (figurations) 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 ?

T.K. J’ignore quel pourrait être ce lien. Une clarification cependant, dans notre théorie, les figurations sont des « briques » servant à construire la géométrie spatiale mais elles ne possèdent pas en elles-mêmes un volume. C’est la notion de matière qui engendre la notion de volume.

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 est interprétée comme une physique dérivée d’une physique plus fondamentale écrite en terme de théorie de l’information ?

T.K. L’univers conçu comme un système entropique est une idée bien étrange. Néanmoins, notre théorie des figurations conçoit l’univers comme un système fondamentalement dynamique. L’univers est dans un état qui évolue conformément à une équation d’évolution exprimée dans un langage quantique.

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 ?

T.K. Il apparaît que l’univers pris comme un seul bloc évolue différemment des sous-systèmes qui l’habitent. Les échelles et unités de mesure doivent être définies opérationnellement au sein de l’univers lui-même. Et donc, dire que l’univers a un rayon de un mètre n’a aucun sens. Il vaut mieux dire qu’un rayon de lumière parcourant l’univers oscillera X fois, ce X étant calculé à partir des fréquences de transition du césium-133. C’est en quelque sorte un petit réajustement des choses mais on peut penser que ce type de procédure puisse être appliqué à d’autres domaines.

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

T.K. Oui ! Il est important de dissocier (désintriquer) le temps qui cause les transformations du temps physique (ndt. spatialisé). La dynamique des figurations dit la chose suivante : Du point de vue fondamental, l’univers ne se conçoit pas sur la base d’une géométrie spatiotemporelle mais comme un système dynamique. Néanmoins, la détermination de l’évolution de ce système n’est pas régie par le temps ; lequel apparaît comme une émergence locale. Plus précisément, le temps apparaît au sein de sous-systèmes capables d’interagir localement grâce à des horloges physiques (ndt. un temps doué d’efficace). Le temps physique se déduit alors de ces horloges physiques. Aussi étrange que cela puisse paraître, la notion de temps local apparaît comme si d’un autre côté le temps disparaissait de l’étendue spatiotemporelle.

Les réponses de Koslowski à ces intrigantes questions laissent augurer une compréhension inédite de l’univers qui pour l’instant ne fait que se dessiner avec au moins un résultat important. La dynamique des figurations prend ses distances avec la relativité générale d’Einstein non pas pour le plaisir d’être originale mais pour combiner la gravité avec l’univers quantique. L’espace-temps passe à la trappe pour ainsi dire. Plus précisément, comme l’indique Koslowski, la cosmologie ne se conçoit pas obligatoirement avec un espace-temps qui est une solution de l’équation d’Einstein. Le temps et l’espace prennent une place inédite et semblent se « désintriquer », sans doute pour se combiner mais dans une configuration inédite qui n’est pas celle de la relativité. Pour décrire la situation de la physique, on pourrait dire que l’empire théorique constitué autour d’Einstein n’est pas destiné à durer perpétuellement. L’avenir dira si la physique a accordé trop de crédit aux équations d’Einstein, se privant d’explorer d’autres possibilités et de chercher la quelle est au fond l’essence de la Nature, avec deux volets, phénoménologique et ontologique, ou si l’on veut être plus rigoureux dans les termes, phénodynamique et ontodynamique. Pour ma part, je tiens la dualité gravité/jauge comme fondamentale, que ce soit dans la version Maldacena ou dans le contexte SD. Koslowski semble gêné par ce résultat et cela se comprend au vu de son initiation à la cosmologie quantique dans le sillage de la gravitation à boucles.

De ces réflexions se dégagent deux grandes orientations. D’abord le fait que la théorie d’Einstein ne décrit pas le cosmos mais sans doute une manière de voir le cosmos. Si elle est parfaite, elle est incomplète. Il faut alors aussi revoir ce qu’est la gravitation au sens physique. La gravité semble se dédoubler, avec des propriétés dérivées et émergente comme l’espace et le temps et des propriétés plus profondes qu’il faut élucider. D’ailleurs, le temps se dédouble aussi. Et c’est cette question sur le temps qui interpelle. Le temps fondamental n’est plus lié à l’espace mais semble être une propriété de la matière. Auquel cas, il est judicieux d’aller chercher le temps dans la théorie quantique. Ce que fait Koslowski en lorgnant vers la fonction d’onde de l’univers en suivant la voie tracée par Wheeler-DeWitt. Mais l’énigme persiste. La matière fait émerger le temps mais le fait-elle disparaître ? En le mémorisant, avec le principe de rémanence ? La clé de cette énigme sera résolue en ce 21ème siècle.