La gravité des rêves

Pourquoi la gravité est-elle la force la plus mystérieuse de la nature ? Lavinia Heisenberg étudie comment l'univers s'est formé et comment il évolue. Elle vient de recevoir le prix Latsis de l'ETH Zurich pour ses réalisations exceptionnelles dans le domaine de la physique théorique.
La gravité des rêves - Portrait de Lavinia Heisenberg (Vidéo : ETH Zurich / Michael Steiner, vistory)
La gravité des rêves - Portrait de Lavinia Heisenberg. (Vidéo : ETH Zurich)

Quiconque observe le ciel la nuit peut avoir une idée de ce que Lavinia Heisenberg fait dans la vie. Elle est cosmologue. Son domaine de recherche est l'espace et ce qu'on peut y trouver, qu'il s'agisse de matière visible ou sombre, de lumière ou d'énergie, de particules ou d'ondes, de corps ou de forces. Elle ne s'intéresse pas aux planètes individuelles, à un système solaire ou à une galaxie, comme notre Voie lactée. Ses recherches s'orientent bien plus vers les amas galactiques entiers et les forces de la nature qui nous renseignent sur l'origine de l'univers.

Il y a des moments où Lavinia Heisenberg se sent dépassée lorsqu'elle regarde les milliards de galaxies dans le ciel. «La curiosité a toujours été mon moteur», dit-elle sur le campus de Hönggerberg, alors que ses longs cheveux bouclés sont pris par une rafale de vent. «Il y a tant d'inconnues là-haut... je veux continuer à les explorer.»

Des temps passionnants, des forces mystérieuses

Pour un physicien tel que Lavinia Heisenberg, qui étudie l'interaction entre la physique des particules et la cosmologie, nous vivons certainement une époque passionnante, deux découvertes majeures ayant considérablement élargi les possibilités de recherche. Une nouvelle particule, le boson de Higgs, a été découverte au CERN en juillet 2012, et la première observation directe des ondes gravitationnelles a été effectuée en septembre 2015. La professeure est convaincue que les ondes gravitationnelles ouvriront de nouvelles possibilités de découverte : «Toutes les informations dont nous disposons jusqu'à présent sur l'univers ne nous sont parvenues que grâce aux photons, à la lumière. Et maintenant, nous disposons également de ce nouveau canal d'observation des ondes gravitationnelles. Vous pouvez le comparer à une situation où nous étions complètement aveugles, et où soudain nous pouvons voir toutes ces belles couleurs.»

La gravité est un élément clé de ses recherches. «Quand vous pensez aux échelles cosmologiques, aux grandes échelles, la force gravitationnelle est la plus importante. Donc si vous voulez décrire la nature ou la physique de l'univers, vous devez connaître la loi fondamentale de la gravité», explique-t-elle. «Si vous combinez maintenant les mesures de précision provenant des ondes gravitationnelles avec toutes les observations que nous avons déjà faites à travers la lumière, nous nous rapprocherons en fin de compte de ce qui est vraiment la vraie nature de la gravité.» À ce jour, aucune explication concluante n'a été trouvée. Les approches qui décrivent le monde à grande échelle - c'est-à-dire dans l'espace - n'expliquent pas la gravité de la même manière que celles qui décrivent le monde à petite échelle, c'est-à-dire dans la partie la plus interne du noyau atomique.

«Il y a tant d'inconnues là-haut... je veux continuer à les explorer.»      Lavinia Heisenberg

Ces différences explicatives s'appuient sur les deux grandes réalisations théoriques de la physique au XXe siècle : la théorie de la relativité et la mécanique quantique. Le fait qu'elle ne puisse toujours pas être expliquée de manière uniforme avec une seule théorie fait de la gravitation la plus mystérieuse des quatre forces fondamentales de la physique. Ces forces fondamentales déterminent le comportement des corps, des champs, des particules et des systèmes ; les trois autres sont l'interaction faible, l'interaction forte et l'électromagnétisme.

De nombreuses perspectives, des solutions stables

L'approche de la professeure Heisenberg se caractérise par la façon dont elle étudie la gravité sous différentes perspectives : comme un télescope, chaque théorie ouvre une autre perspective sur la réalité. Elle utilise ces perspectives pour obtenir de nouvelles connaissances sur les propriétés essentielles et fondamentales de la gravité. «Nous combinons les différentes interprétations de la gravité afin de trouver des solutions stables aux problèmes de la relativité générale», ajoute-t-elle. Lavinia Heisenberg a remporté le prix Latsis de l'ETH Zurich pour son analyse détaillée de la gravité à la lumière de la physique classique et quantique et les conclusions correspondantes tirées des expériences d'astrophysique, de cosmologie et de physique des particules. Le prix sera remis lors de la Journée de l'ETH 2020.

L'approche multidisciplinaire de la professeure Heisenberg combine la physique gravitationnelle, la cosmologie, la physique des particules et l'astrophysique computationnelle. En tant que physicienne théorique, elle ne réalise pas d'expériences en laboratoire ou dans des accélérateurs de particules - elle travaille avec un stylo et un ordinateur portable, et effectue des calculs informatiques. Les mathématiques sont son outil le plus important. La qualité de ses théories est mesurée par la mesure dans laquelle les équations mathématiques peuvent expliquer les données provenant d'expériences de physique des particules ou d'observations cosmologiques et astrophysiques.

Beethoven, le rocher et l'arc et les flèches

Son approche multidisciplinaire se reflète dans la composition de son équipe et dans son enseignement. Heisenberg a l'esprit d'équipe, et il est important pour elle de voir les questions ouvertes discutées : «J'aime beaucoup interagir avec mon équipe et mes étudiantes et étudiants.» Pour elle, le plaisir est la meilleure compensation pour la déception et le stress.

Lavinia Heisenberg trouve également un équilibre dans la course à pied, l'escalade, l'entraînement physique et le tir à l'arc, ainsi que dans les activités qui exigent un haut niveau de concentration : «Au tir à l'arc, je dois me concentrer très étroitement sur ma position si je veux atteindre la cible. Dans des moments comme celui-ci, je suis complètement présent dans l'ici et le maintenant - je ne pense pas au passé et ne m'inquiète pas de l'avenir». Elle vit également des moments d'immersion totale dans ses recherches, des moments où elle est totalement absorbée par ce qu'elle fait. Dans les moments difficiles, elle trouve une stabilité dans la musique, dans les symphonies de Beethoven.

Le parcours de la professeure Heisenberg est aussi diversifié que ses recherches : elle a vécu dans différents pays depuis son enfance, «et dans chaque pays, j'ai appris la langue». Aujourd'hui, elle parle six langues, dont l'allemand. Elle est arrivée à l'ETH Zurich en tant que boursière de l'Institut d'études théoriques. En 2018, elle a reçu une bourse de démarrage du CER, qui n'est accordée qu'aux meilleurs scientifiques, et a été nommée professeure assistante au département de physique. Son avenir est littéralement écrit dans les étoiles - depuis son enfance, Lavinia Heisenberg rêve de devenir astronaute. Et cet objectif continue de l'animer : «Observer la Terre sous un tel angle doit être une sensation incroyable ainsi que de voir à quel point notre Terre est fragile.»