En 1687, Isaac Newton publiait les Principia Mathematica, posant les bases de la loi de la gravitation universelle. Pourtant, 340 ans plus tard, la communauté scientifique admet ne toujours pas comprendre ce qu'est réellement la gravité. Dans un article consacré à cette question, des physiciens n'hésitent pas à parler de l'une des « grandes gênes inexpliquées » de la discipline.

Un siècle de bouleversements, mais toujours pas de réponse

Si la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein, publiée en 1915, est venue affiner la description de Newton en expliquant la gravité comme une courbure de l'espace-temps causée par la masse et l'énergie, elle n'en éclaire pas pour autant la nature profonde. La relativité générale décrit avec une grande précision comment la gravité se comporte à grande échelle – celle des planètes, des étoiles et des galaxies – mais n'offre aucun cadre pour comprendre pourquoi la masse engendre cette courbure.

L'énigme de l'incompatibilité avec la mécanique quantique

Le cœur du problème réside dans l'incompatibilité fondamentale entre la relativité générale et la mécanique quantique, qui régit le comportement de la matière à l'échelle subatomique. Les trois autres forces fondamentales de la nature – l'électromagnétisme, la force nucléaire forte et la force nucléaire faible – ont toutes été décrites avec succès dans le cadre du modèle standard de la physique des particules, un langage quantique. La gravité, en revanche, résiste à toute tentative de « quantification ». Aucune expérience n'a jamais permis de détecter la particule hypothétique qui transporterait la force gravitationnelle, le graviton.

Des pistes explorées sans résultat probant

Plusieurs approches théoriques tentent de résoudre cette contradiction. La théorie des cordes, qui postule que les particules élémentaires sont en réalité de minuscules cordes vibrantes, propose un cadre unifié incluant la gravité. De même, la gravité quantique à boucles cherche à décrire l'espace-temps comme un réseau discret de boucles. Cependant, aucune de ces théories n'a produit à ce jour de prédiction vérifiable expérimentalement, laissant la question ouverte.

Une mesure qui brouille les cartes

L'incertitude autour de la constante gravitationnelle (G), qui détermine la force de la gravité, illustre bien l'ampleur du problème. Bien que G soit une constante fondamentale, sa mesure précise varie d'une expérience à l'autre de manière inexplicable. Cette « incertitude de mesure » intrigue les physiciens et pourrait, selon certains, être le signe d'une physique nouvelle encore inconnue.

Un défi pour la cosmologie

Cette ignorance a des conséquences directes sur notre compréhension de l'Univers. Pour expliquer des observations – comme la rotation anormale des galaxies ou l'accélération de l'expansion cosmique – les astrophysiciens ont dû introduire des concepts ad hoc : la matière noire et l'énergie sombre. Ces deux entités, qui constitueraient ensemble plus de 95 % du contenu de l'Univers, n'ont jamais été détectées directement. Sans une théorie complète de la gravité, il est impossible de savoir si ces concepts sont réels ou s'ils ne font que masquer notre méconnaissance du fonctionnement de la gravité elle-même.

Un enjeu de taille

Malgré ces difficultés, la recherche progresse. Des expériences sont en cours pour tenter de détecter les ondes gravitationnelles à haute fréquence, qui pourraient dévoiler la nature quantique de la gravité. D'autres sondent la possible variation de G au cours du temps. Tant que la gravité n'aura pas été intégrée avec succès au cadre quantique, le rêve d'une « théorie du tout », capable d'expliquer l'ensemble des phénomènes physiques, restera inaccessible. La « gêne » évoquée par les scientifiques est donc bien plus qu'un simple embarras théorique : elle constitue le plus grand défi actuel de la physique fondamentale.