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Symétrie et gravitation

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Marc Henneaux

Préface

Thomas Römer

Texte intégral

1Il y a eu deux grandes révolutions de la physique moderne : la mécanique quantique et la relativité, qui culmine avec la relativité générale ou théorie de la gravitation d’Einstein.

2Nous avons célébré en 2015 la révolution de la relativité générale d’Einstein, belle et élégante, qui se fonde sur des principes de symétrie et utilise la géométrie pour interpréter l’interaction gravitationnelle comme une courbure de l’espace-temps. Cette théorie a reçu maintes confirmations au niveau de l’observation, dans le système solaire, ainsi qu’en cosmologie jusqu’au Big Bang, et encore récemment avec la confirmation de l’existence des trous noirs et des ondes gravitationnelles.

3En parallèle, la mécanique quantique a révolutionné notre vision de l’infiniment petit, souvent à l’encontre de l’intuition des physiciens. Les prédictions de la théorie quantique ont reçu ainsi des confirmations expérimentales remarquables, notamment en ce qui concerne l’énergie du vide, qui donne lieu à la force de Casimir, maintes fois confirmée et quantifiée. Pourtant, lorsque cette énergie du vide est extrapolée aux grandes échelles de l’Univers, cela conduit à des prédictions erronées de plus de cent vingt ordres de grandeur ! La découverte, en 1998, de l’énergie sombre de l’Univers a montré que l’énergie du vide était extrêmement plus faible, bien que représentant 70 % du contenu de l’Univers. Ce mystère provient sans doute de notre ignorance de ce que devient la gravité dans le domaine microscopique et quantique.

4L’unification de la physique quantique et de la gravitation, déjà amorcée au siècle dernier, est un secteur de la physique en plein développement. C’est dans ce domaine que travaille notre nouveau collègue Marc Henneaux, qui a été professeur à l’Université libre de Bruxelles (ULB) et qui rejoint désormais le Collège de France.

  • 1 Claudio Bunster-Teitelboim et Marc Henneaux, Quantization of Gauge Systems, Princeton (N.J.), Princ (...)

5Pendant la préparation de sa thèse de doctorat, soutenue en 1980, il a visité à Princeton, en 1978-1979, le professeur chilien Claudio Bunster-Teitelboim : ce fut le début d’une longue et riche collaboration qui a donné lieu à leur ouvrage célèbre en 1992, Quantization of Gauge Systems1, livre abondamment cité jusqu’à aujourd’hui. Après un postdoctorat à Austin au Texas de 1981 à 1984, Marc Henneaux a continué sa carrière à Bruxelles pour y devenir professeur. Il a créé le groupe « Physique théorique et mathématique » à l’Université libre de Bruxelles en 1996 et en a assuré la direction jusqu’en 2012.

6Marc Henneaux travaille sur les forces fondamentales, leurs symétries, et en particulier la gravité. Son domaine de recherche est la supergravité, la théorie des cordes et sa généralisation. Cette théorie des cordes – petite remarque pour les non-physiciens – permet de réconcilier la théorie de la relativité générale d’Einstein, qui décrit notre univers aux échelles astronomiques, avec les principes de la mécanique quantique, qui expliquent le comportement de la matière aux échelles microscopiques. Marc Henneaux est l’un des spécialistes les plus éminents et les plus appréciés du domaine. Il a contribué à des découvertes majeures, dont l’impact a été marquant dans la communauté scientifique, et qui ont donné lieu à beaucoup de travaux et de retentissements.

7Ses travaux ont souvent exploité les espaces-temps en dimension 3 (2 pour l’espace et 1 pour le temps), qui sont des laboratoires exceptionnels pour tester les concepts de la gravité, tout en étant plus simples que les espaces plus dimensionnés, et pourtant suffisamment riches pour posséder des trous noirs, avec toute leur thermodynamique, pour pouvoir inclure les champs de spins élevés, une caractéristique quantique des particules intimement liée à leurs propriétés de rotation.

8Dès les années 1980, Marc Henneaux a eu l’intuition de cette richesse et, avec John David Brown, il a été à l’origine d’une avancée considérable : la découverte que la gravité dans l’espace-temps à trois dimensions avec constante cosmologique Λ négative possédait des symétries asymptotiques et isomorphes à l’algèbre conforme de l’espace plat à deux dimensions avec charge centrale. Ils ont donné la valeur de cette charge centrale, appelée depuis « charge centrale de Brown-Henneaux ».

9Il s’agit d’une avancée majeure pour la théorie de la gravité quantique, car elle fournit une formulation non perturbative de la théorie des cordes et parce qu’elle est la réalisation la plus réussie du principe holographique. L’intérêt de la dualité provient essentiellement du fait qu’il s’agit d’une dualité forte/faible : quand les champs de la théorie quantique interagissent fortement, ceux de la théorie gravitationnelle interagissent faiblement et peuvent ainsi être plus facilement appréhendés mathématiquement.

10Marc Henneaux travaille depuis une quinzaine d’années dans le domaine des champs de spins élevés. Pendant longtemps, les explorations devaient s’arrêter au spin 2, celui du graviton, car des problèmes insurmontables apparaissaient au-delà.

11Les travaux de Marc Henneaux et de ses collaborateurs ont permis une reformulation de la gravité, reformulation qui a permis aussi de construire une gravité en interaction cohérente avec des champs de spins élevés. Ceci est d’autant plus intéressant que les champs de spins élevés jouent un rôle clé dans la théorie holographique.

12Un des principaux buts de la théorie des cordes est d’unifier toutes les forces de la physique, et en particulier de découvrir la théorie quantique de la gravité. L’idée est que les particules sont des états excités des cordes, et que toutes les forces pourront à terme s’interpréter comme des interactions entre cordes. La théorie n’a pas encore de cadre prédictif ; néanmoins, elle est fondée sur les symétries qui correspondent aux interactions. Marc Henneaux et ses équipes ont beaucoup travaillé sur les symétries de dualité, permettant de relier couplages forts et faibles. Utilisant les mathématiques de la théorie des groupes, ils ont essayé de découvrir les symétries cachées de la théorie de la gravitation. Marc Henneaux a développé l’approche des « billards cosmologiques » sur le champ gravitationnel au comportement chaotique dans un espace-temps à quatre dimensions au voisinage d’une singularité (trou noir). Avec Thibault Damour, il a mis en évidence le comportement chaotique de l’Univers jeune – le billard cosmique –, et a développé des théories mathématiques en dimensions variables, qui s’appliquent aux trous noirs.

13Marc Henneaux a obtenu à deux reprises le prestigieux prix européen ERC : d’abord, en 2011-2015, un ERC Advanced Grant sur le projet « Symmetries and Dualities in Gravity and M-theory », puis un second en 2016-2021, sur le projet « Higher Spin Gravity and Generalized Spacetime Geometry ».

14Il a reçu de nombreux prix, comme le Francqui Prize, en 2000, pour « ses contributions exceptionnelles dans la compréhension des forces de la nature » ; en 2010, il est nommé docteur honoris causa de l’université de Craiova (Roumanie) ; en 2014, il reçoit le prix Bogoliubov du Joint Institute for Nuclear Research (Dubna, Russie), avec Valery Rubakov, pour ses succès de premier plan en physique théorique et mathématique, sa promotion de la coopération internationale et l’enseignement des jeunes chercheurs. Il a supervisé la thèse de dix-huit jeunes chercheurs. Par ailleurs, il est membre de l’Académie royale de Belgique depuis 2004, et fait baron en 2015 par le roi Philippe.

15Il est, depuis 2004, directeur des deux instituts internationaux Solvay pour la physique et la chimie. Les instituts sont célèbres pour organiser des conférences internationales de haut niveau (qui débutèrent en 1911 avec le fameux congrès Solvay). Il s’agit d’une association à but non lucratif, fondée par Ernest Solvay, un exemple de sponsoring de la science fondamentale par l’industrie. D’ailleurs, le Collège de France dispose d’archives importantes concernant la création des instituts Solvay, et je saisis l’occasion pour saluer les membres de la famille Solvay ainsi que du groupe Solvay.

16Marc Henneaux est un théoricien exceptionnel, un leader dans son domaine. Il poursuit le graal de l’unification des forces fondamentales et la mise au point d’une théorie de la gravité quantique, avec une grande idée de la beauté et de l’élégance mathématique de la théorie. Sa leçon inaugurale Symétrie et gravitation, qui s’annonce passionnante, inaugure son enseignement au Collège de France. Nous te souhaitons, cher Marc, une très cordiale bienvenue au Collège de France, et nous nous réjouissons de t’écouter.

Notes

1 Claudio Bunster-Teitelboim et Marc Henneaux, Quantization of Gauge Systems, Princeton (N.J.), Princeton University Press, 1994.

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