Gravité semi-classique

1 Gravité semi-classique

La gravité semi-classique est un domaine interdisciplinaire fascinant qui combine la mécanique quantique et la relativité générale. Cet ensemble théorique cherche à décrire la gravitation dans un cadre où les champs quantiques évoluent sur un espace-temps classique courbé, avant la formulation complète d'une théorie quantique de la gravité. En d'autres termes, la gravité semi-classique établit un pont entre la physique quantique des particules et la dynamique gravitationnelle d'Einstein.

1.1 Comprendre la gravité semi-classique : définition et principes clés

La gravité semi-classique repose sur l'idée que le champ gravitationnel reste classique — c’est-à-dire décrit par la métrique d’un espace-temps courbe — tandis que la matière et les champs de matière sont quantifiés. Le cadre utilisé est celui de la relativité générale pour le champ gravitationnel classique, couplé à la théorie quantique des champs dans cet espace-temps courbe.

Par exemple, on utilise l’équation semi-classique d’Einstein, souvent écrite de la manière suivante :

$G_{\mu \nu }=8\pi G⟨{\hat{T}}_{\mu \nu }⟩$

où $G_{\mu \nu }$ est le tenseur d’Einstein classique décrivant la courbure de l’espace-temps, $G$ la constante gravitationnelle, et $⟨{\hat{T}}_{\mu \nu }⟩$ la valeur moyenne quantique du tenseur énergie-impulsion.

Cette approche semi-classique permet de modéliser des phénomènes où l'effet quantique est crucial pour la matière, mais où l’espace-temps reste bien décrit par la relativité générale.

1.2 Applications majeures de la gravité semi-classique

La gravité semi-classique est essentielle dans plusieurs domaines clés de la physique théorique et de la cosmologie :

• Rayonnement de Hawking : Stephen Hawking a démontré que les trous noirs ne sont pas complètement noirs mais émettent un rayonnement thermique dû aux effets quantiques au voisinage de l’horizon des événements. La gravité semi-classique constitue le cadre de cette découverte extraordinaire.
• Fluctuations quantiques du vide dans un espace-temps courbe, influençant par exemple l’évolution primordiale de l’univers et les modèles d’inflation cosmique.
• Étude des états quantiques dans des géométries gravitationnelles spécifiques, telles que les trous noirs ou l’univers en expansion, pour comprendre les effets quantiques locaux.

1.3 Limites et défis de la gravité semi-classique

Malgré son utilité, la gravité semi-classique n’est pas une théorie complète de la gravité quantique. Parmi les contraintes notables :

• Le couplage entre les champs quantiques et la métrique classique suppose une absence de rétroaction quantique complète.
• La théorie ne parvient pas à décrire les régimes de forte gravité où la quantification de l’espace-temps lui-même devient indispensable (par exemple, la singularité du trou noir).
• Certaines prédictions donnent lieu à des paradoxes, comme le paradoxe de l'information du trou noir, remettant en cause soit la validité complète de la gravité semi-classique, soit la compréhension actuelle des lois quantiques.

1.4 Perspectives et recherches actuelles en gravité semi-classique

Les physiciens continuent d’explorer la gravité semi-classique pour combler le fossé entre la physique quantique et la cosmologie gravitationnelle :

• Études sur la régularisation et la renormalisation du tenseur énergie-impulsion quantifié.
• Approches numériques simulant les effets semi-classiques dans des scénarios cosmologiques complexes.
• Propositions de modifications de la semi-classique classiques et quantiques pour résoudre les paradoxes, notamment via la gravité quantique à boucles ou la théorie des cordes.

La gravité semi-classique reste un outil indispensable pour comprendre le comportement de la matière quantique dans un espace-temps courbe avant l’avènement d’une gravité quantique pleinement unifiée.

1.5 Voir aussi

• Relativité générale
• Physique quantique
• Rayonnement de Hawking
• Gravité quantique
• Trou noir
• Théorie des champs en espace-temps courbe