Une nouvelle théorie suggère que l’unification entre la physique quantique et la relativité générale a échappé aux scientifiques pendant 100 ans parce que d’énormes « fluctuations » dans l’espace et le temps signifient que la gravité ne respecte pas les règles quantiques.
Depuis le début du XXe siècle, deux théories révolutionnaires ont défini notre compréhension fondamentale de la physique qui régit l’univers. La physique quantique décrit la physique du petit, à des échelles plus petites que l’atome, nous expliquant comment les particules fondamentales comme électrons et les photons interagissent et sont gouvernés. Relativité généraled’autre part, décrit l’univers à des échelles gigantesques, nous expliquant comment les planètes se déplacent autour des étoiles, comment étoiles peut mourir et s’effondrer jusqu’à la naissance trous noirset comment les galaxies se regroupent pour construire les plus grandes structures du cosmos.
Depuis leur développement, ces deux théories sont devenues plus solides et ont renforcé la science grâce à leur immense succès. La mécanique quantique a montré que le monde quantique regorge d’aspects contre-intuitifs, comme l’existence de systèmes simultanément dans des états contradictoires ou de particules s’influençant instantanément les unes les autres, même aux extrémités opposées de l’univers. La relativité générale, quant à elle, a révélé que la structure même de l’espacetemps est façonné par la matière qui le recouvre, et que des interactions violentes entre des corps de grande masse peuvent créer des ondulations dans l’espace-temps connues sous le nom de ondes gravitationnelles qui peut voyager pendant des milliards de Années lumière laver Terre.
Pourtant, il y a un problème, un nuage noir qui plane sur ces disciplines : alors que ces deux piliers de la physique se perfectionnent, les scientifiques ne parviennent toujours pas à combler le fossé qui les sépare.
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« Les deux piliers de la physique moderne sont incompatibles l’un avec l’autre, ce qui signifie qu’il existe une contradiction fondamentale qui réside dans le fondement même de nos lois de la nature », a déclaré Jonathan Oppenheim, professeur à l’University College de Londres (UCL), à Space.com par courrier électronique.
Oppenheim est le pionnier d’une théorie nouvelle et radicale qui pourrait enfin réunir ces deux concepts, une réconciliation qui défie les plus grands esprits scientifiques depuis plus de 100 ans.
Pourquoi la gravité devrait-elle être « quantique » ?
Auparavant, unir la relativité générale à la physique quantique signifiait prendre l’espace-temps – les trois dimensions de espace et la dimension unique du temps, unifiée en une seule entité 4D qui est à la base de la relativité générale – et la décomposant en unités discrètes, ou « quanta ».
Cela nécessite que l’espace-temps soit une scène passive sur laquelle « l’action » de l’univers se joue. Cependant, la relativité générale repose sur le fait que l’espace-temps n’est pas une scène statique mais plutôt un acteur dynamique dans le ballet cosmique de l’univers, façonné par la présence de matière et d’énergie et indiquant ensuite à la matière et à l’énergie comment se déplacer via la courbure et la gravité qui en découlent. il.
L’idée d’Oppenheim d' »agiter l’espace-temps » repose sur la question de savoir pourquoi la gravité devrait avoir une nature quantique comme celle qui a été découverte pour les autres forces fondamentales — l’électromagnétisme et les forces nucléaires fortes et faibles. La gravité, affirme-t-il, n’est pas comme ces autres forces. Après tout, c’est le seul des quatre qui peut définir la géométrie même de l’espace-temps, et les domaines de la physique quantique évoluent sur cette géométrie.
« Nous ressentons la gravité parce que la matière provoque une courbure de l’espace-temps. Le temps s’écoule à des rythmes inégaux à différents endroits », écrit Oppenheim dans un article discutant de sa théorie publié dans la revue Examen physique X. « La vitesse à laquelle le temps s’écoule et la structure causale (le fait que la cause précède toujours l’effet) qu’il fournit peuvent nécessiter une description classique pour que la théorie quantique soit bien formulée. »
Cela signifie, selon sa théorie, appelée « théorie postquantique de la gravité classique », que l’espace-temps, et donc la gravité, n’ont pas de description quantique. Cela est dû aux fluctuations aléatoires de l’espace-temps, qui provoquent des changements dans l’écoulement du temps, brisant ainsi le concept de prévisibilité.
« À la fois gravité quantique et la gravité classique, l’espace-temps doit subir des fluctuations violentes et aléatoires tout autour de nous, mais à une échelle que nous n’avons pas encore pu détecter », Zach Weller-Davies, chercheur à l’Institut Périmètre de physique théorique au Canada. et ancien doctorant d’Oppenheim, a déclaré dans un communiqué.
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Parier sur « l’espace-temps ondulé » par rapport à la théorie des cordes et à la gravité en boucle quantique
Bien entendu, l’idée d’Oppenheim est loin d’être la première théorie proposée pour combler le fossé entre la physique quantique et la relativité générale.
La théorie des cordes est l’un des concepts les plus connus proposés pour unir ces deux piliers de la physique. En bref, il considère les particules qui remplissent l’univers comme des manifestations d’objets vibrants unidimensionnels appelés cordes. La théorie des cordes décrit comment ces cordes se propagent dans l’espace et interagissent les unes avec les autres, donnant naissance à une particule appelée graviton qui transporte la force gravitationnelle et fournit ainsi une explication quantique de cette force fondamentale.
Une théorie de l’unification alternative populaire à la théorie des cordes est gravité à boucle quantiquequi modifie la formulation de la relativité générale pour quantifier l’espace-temps en morceaux.
Carlo Rovelli, partisan de la gravité à boucle quantique, et Geoff Penington, partisan de la théorie des cordes, doutent de la théorie postquantique de la gravité classique d’Oppenheim. Leur scepticisme est à la base d’un pari de 5 000 contre 1 avec Oppenheim, qui serait payé en cas d’échec d’une expérience conçue par Weller-Davies et d’autres anciens doctorants. étudiants du scientifique de l’UCL à mesurer une masse très précisément pour voir si elle semble fluctuer dans le temps – confirmant ainsi la théorie postquantique de la gravité classique.
Ce scepticisme est à double sens pour Oppenheim, car il doute de la validité de la théorie des cordes et de la gravité quantique en boucle en tant que remèdes précis au problème de la physique quantique et de la relativité générale. En effet, ces autres idées nécessitent l’ajout d’ingrédients supplémentaires à l’univers, y compris des dimensions supplémentaires, dont la théorie postquantique de la gravité classique n’a pas besoin.
« Je ne sais pas si l’une des approches actuelles concilie systématiquement la théorie quantique et la relativité générale », a déclaré Oppenheim. « Si la théorie des cordes y parvient, elle nécessitera des dimensions et des dimensions supplémentaires. supersymétrieque nous n’avons observé ni l’un ni l’autre dans la nature, même s’il est toujours possible qu’ils soient là. »
Il a ajouté que les théories unitaires, telles que la théorie des cordes et la gravité quantique à boucles, semblent également exiger la rupture du célèbre principe d’équivalence d’Einstein. Cela fait référence à l’équité entre deux formes de masse : la masse gravitationnelle, ressentie lorsque l’on se trouve sur un corps comme la Terre, et la masse inertielle, ressentie dans un cadre de référence accéléré. Oppenheim a expliqué que cette rupture d’équivalence est nécessaire pour réconcilier ces théories avec le « paradoxe de l’information sur les trous noirs« , qui demande où va l’information véhiculée par la matière avalée par les trous noirs.
En plus de tester la fluctuation d’une masse donnée due à la théorie postquantique de la gravité classique, Oppenheim et ses anciens étudiants sont à l’affût d’aspects de la nature qui pourraient émerger et étayer davantage cette nouvelle théorie.
« Nous avons montré que si l’espace-temps n’a pas de nature quantique, alors il doit y avoir des fluctuations aléatoires dans la courbure de l’espace-temps qui ont une signature particulière qui peut être vérifiée expérimentalement », a déclaré Zach Weller-Davies. « Si l’espace-temps est classique, les fluctuations doivent être plus grandes qu’une certaine échelle, et cette échelle peut être déterminée par une autre expérience où nous testons combien de temps nous pouvons mettre un poids lourd. » atome en superposition d’être dans deux endroits différents.
