Einstein avait-il tort? Pourquoi certains astrophysiciens remettent en question la théorie de l’espace-temps 6w172h

Comme dans l’histoire, les révolutions sont la pierre angulaire de la science. Des courants d’inquiétude bouillonnants débordent jusqu’à ce qu’un nouveau régime émerge pour s’emparer du pouvoir. Ensuite, l’attention de chacun se tourne vers le renversement de sa nouvelle règle. Le roi est mort, longue vie au roi. 1f4t2z

Cela s’est produit à plusieurs reprises dans l’histoire de la physique et de l’astronomie. Premièrement, nous pensions que la Terre était au centre du système solaire – une idée qui a duré plus de 1000 ans. Puis Copernic lui a tendu le cou pour dire que tout le système serait beaucoup plus simple si nous étions juste une autre planète en orbite autour du soleil. Malgré beaucoup d’opposition initiale, l’ancienne image géocentrique s’est finalement déformée sous le poids des preuves du télescope nouvellement inventé.

Puis Newton est venu expliquer que la gravité est la raison pour laquelle les planètes gravitent autour du soleil. Il a dit que tous les objets ayant une masse ont une attraction gravitationnelle les uns vers les autres. Selon ses idées, nous sommes en orbite autour du soleil parce qu’il tire sur nous, la lune tourne autour de la Terre parce que nous tirons dessus. Newton a régné pendant deux siècles et demi avant Albert Einstein est venu en 1915 pour l’usurper avec son Théorie générale de la relativité. Cette nouvelle image expliquait parfaitement les incohérences dans Mercure‘s orbite, et a été confirmée par les observations d’une éclipse solaire au large des côtes de l’Afrique en 1919.

Au lieu d’une traction, Einstein voyait la gravité comme le résultat d’un espace courbe. Il a dit que tous les objets de l’univers sont assis dans un tissu lisse à quatre dimensions appelé espace-temps. Des objets massifs tels que le soleil déforment l’espace-temps autour d’eux, et donc l’orbite de la Terre est simplement le résultat du fait que notre planète suit cette courbure. Pour nous, cela ressemble à une attraction gravitationnelle newtonienne. Cette image de l’espace-temps est maintenant sur le trône depuis plus de 100 ans et a jusqu’à présent vaincu tous les prétendants à sa couronne. La découverte de ondes gravitationnelles en 2015 a été une victoire décisive, mais, comme ses prédécesseurs, elle est peut-être également sur le point de tomber. C’est parce qu’il est fondamentalement incompatible avec l’autre grosse bête du zoo de physique: la théorie quantique.

le monde quantique est notoirement bizarre. Des particules uniques peuvent être à deux endroits à la fois, par exemple. Ce n’est qu’en faisant une observation qu’on l’oblige à «choisir». Avant une observation, nous ne pouvons attribuer des probabilités qu’aux résultats probables. Dans les années 1930, Erwin Schrödinger a conçu un façon célèbre pour exposer à quel point cette idée est perverse. Il a imaginé un chat dans une boîte scellée accompagné d’un flacon de poison attaché à un marteau. Le marteau est relié à un appareil qui mesure l’état quantique d’une particule. Que le marteau brise ou non le flacon et tue le chat dépend de cette mesure, mais la physique quantique dit que jusqu’à ce qu’une telle mesure soit faite, la particule est simultanément dans les deux états, ce qui signifie que le flacon est à la fois cassé et ininterrompu et que le chat est vivant et mort.

Une telle image ne peut pas être conciliée avec un tissu lisse et continu d’espace-temps. « Un champ gravitationnel ne peut pas être à deux endroits à la fois », a déclaré Sabine Hossenfelder, physicienne théorique à la Institut d’études avancées de Francfort. Selon Einstein, l’espace-temps est déformé par la matière et l’énergie, mais la physique quantique dit que la matière et l’énergie existent simultanément dans plusieurs états – elles peuvent être à la fois ici et là-bas. « Alors, où est le champ gravitationnel? » demande Hossenfelder. « Personne n’a de réponse à cette question. C’est un peu embarrassant », a-t-elle déclaré.

Essayez d’utiliser la relativité générale et la théorie quantique ensemble, et cela ne fonctionne pas. « Au-dessus d’une certaine énergie, vous obtenez des probabilités supérieures à un », a déclaré Hossenfelder. L’un est la probabilité la plus élevée possible – cela signifie qu’un résultat est certain. Vous ne pouvez pas être plus certain que certain. De même, les calculs vous donnent parfois la réponse à l’infini, qui n’a pas de réelle signification physique. Les deux théories sont donc mathématiquement incompatibles. Ainsi, comme de nombreux monarques à travers l’histoire, les physiciens recherchent un mariage entre factions rivales pour assurer la paix. Ils recherchent une théorie de gravité quantique– l’exercice diplomatique ultime pour faire partager le trône à ces deux rivaux. Cela a vu les théoriciens se tourner vers des possibilités extravagantes.

Le plus célèbre est sans doute théorie des cordes. C’est l’idée que les particules subatomiques telles que les électrons et les quarks sont fabriquées à partir de minuscules cordes vibrantes. Tout comme vous pouvez jouer des cordes sur un instrument de musique pour créer différentes notes, les théoriciens des cordes soutiennent que différentes combinaisons de cordes créent des particules différentes. L’attraction de la théorie est qu’elle peut concilier la relativité générale et la physique quantique, du moins sur le papier. Cependant, pour tirer ce lapin particulier du chapeau, les cordes doivent vibrer à travers onze dimensions – sept de plus que les quatre dans le tissu spatio-temporel d’Einstein. Pour l’instant, il n’y a aucune preuve expérimentale que ces dimensions supplémentaires existent vraiment. « Ce sont peut-être des mathématiques intéressantes, mais si elles décrivent l’espace-temps dans lequel nous vivons, nous ne le savons pas vraiment tant qu’il n’y aura pas une expérience », a déclaré Jorma Louko de la Université de Nottingham.

En partie inspirés par les échecs perçus de la théorie des cordes, d’autres physiciens se sont tournés vers une alternative appelée Gravité quantique en boucle (LQG). Ils peuvent faire en sorte que les deux théories jouent bien si elles suppriment l’un des principes centraux de la relativité générale: cet espace-temps est un tissu lisse et continu. Au lieu de cela, disent-ils, l’espace-temps est composé d’une série de boucles entrelacées – qu’il a une structure aux plus petites échelles de taille. C’est un peu comme une longueur de tissu. À première vue, il ressemble à un tissu lisse. Regardez bien, cependant, et vous verrez qu’il est vraiment fait d’un réseau de points de suture. Sinon, pensez-y comme une photo sur un écran d’ordinateur: faites un zoom avant et vous verrez qu’il est vraiment composé de pixels individuels.

Le problème est que lorsque les physiciens LQG disent petit, ils veulent dire vraiment petit. Ces défauts de l’espace-temps ne seraient apparents qu’au niveau de l’échelle de Planck – autour d’un billionième de billionième de billionième de mètre. C’est si petit qu’il y aurait plus de boucles dans un centimètre cube d’espace que de centimètres cubes dans tout l’univers observable. «Si l’espace-temps ne diffère qu’à l’échelle de Planck, cela serait difficile à tester dans n’importe quel accélérateur de particules», explique Louko. Vous auriez besoin d’un smasher atomique 1000 trillions de fois plus puissant que le Grand collisionneur de hadrons (LHC) au CERN. Comment, alors, pouvez-vous détecter des défauts spatio-temporels aussi petits? La réponse est de regarder à travers une grande zone d’espace.

La lumière arrivant ici des confins les plus éloignés de l’univers a parcouru des milliards d’années-lumière d’espace-temps en cours de route. Alors que l’effet de chaque défaut d’espace-temps serait minime, sur ces distances, les interactions avec de multiples défauts pourraient bien s’ajouter à un effet potentiellement observable. Depuis une dizaine d’années, les astronomes utilisent la lumière de loin Rafales de rayons gamma pour rechercher des preuves à l’appui de LQG. Ces éclairs cosmiques sont le résultat de l’effondrement d’étoiles massives à la fin de leur vie, et il y a quelque chose à propos de ces détonations lointaines que nous ne pouvons actuellement pas expliquer. «Leur spectre a une distorsion systématique», a déclaré Hossenfelder, mais personne ne sait si c’est quelque chose qui se e en chemin ici ou si c’est quelque chose à voir avec la source des sursauts eux-mêmes. Le jury est toujours dehors.

Pour progresser, nous devrons peut-être aller plus loin que de dire que l’espace-temps n’est pas le tissu fluide et continu suggéré par Einstein. Selon Einstein, l’espace-temps est comme une scène qui reste en place, que les acteurs foulent ses planches ou non – même s’il n’y avait pas d’étoiles ou de planètes dansant, l’espace-temps serait toujours là. Cependant, les physiciens Laurent Freidel, Robert Leigh et Djordje Minic pensent que cette image nous retient. Ils pensent que l’espace-temps n’existe pas indépendamment des objets qu’il contient. L’espace-temps est défini par la manière dont les objets interagissent. Cela ferait de l’espace-temps un artefact du monde quantique lui-même, et non quelque chose à combiner avec lui. « Cela peut sembler bizarre », a déclaré Minic, « mais c’est une manière très précise d’aborder le problème. »

L’attrait de cette théorie – appelée espace-temps modulaire – est qu’elle pourrait aider à résoudre un autre problème de longue date en physique théorique concernant quelque chose appelé localité, et un phénomène notoire en physique quantique appelé intrication. Les physiciens peuvent créer une situation dans laquelle ils rassemblent deux particules et relient leurs propriétés quantiques. Ils les séparent ensuite d’une grande distance et constatent qu’ils sont toujours liés. Changer les propriétés de l’un et de l’autre changera instantanément, comme si les informations voyageaient de l’une à l’autre plus rapidement que la vitesse de la lumière en violation directe de la relativité. Einstein a été tellement perturbé par ce phénomène qu’il l’a appelé «action effrayante à distance».

La théorie de l’espace-temps modulaire peut s’adapter à un tel comportement en redéfinissant ce que signifie être séparé. Si l’espace-temps émerge du monde quantique, alors être plus proche au sens quantique est plus fondamental que d’être proche au sens physique. « Différents observateurs auraient différentes notions de localité », a déclaré Minic, « cela dépend du contexte. » C’est un peu comme nos relations avec les autres. On peut se sentir plus proche d’un être cher loin que de l’étranger qui habite dans la rue. « Vous pouvez avoir ces connexions non locales tant qu’elles sont assez petites », a déclaré Hossenfelder.

Freidel, Leigh et Minic travaillent sur leur idée depuis cinq ans, et ils pensent progresser lentement. « Nous voulons être conservateurs et avancer pas à pas », a déclaré Minic, « mais c’est alléchant et excitant ». C’est certainement une nouvelle approche, qui cherche à «graviter» le monde quantique plutôt que de quantifier la gravité comme dans LQG. Pourtant, comme pour toute théorie scientifique, elle doit être testée. Pour le moment, le trio travaille sur la manière d’intégrer le temps dans son modèle.

Tout cela peut sembler incroyablement ésotérique, ce dont seuls les universitaires devraient se soucier, mais cela pourrait avoir un effet plus profond sur notre vie quotidienne. « Nous nous asseyons dans l’espace, nous voyageons dans le temps, et si quelque chose change dans notre compréhension de l’espace-temps, cela aura un impact non seulement sur notre compréhension de la gravité, mais de la théorie quantique en général », a déclaré Hossenfelder. « Tous nos appareils actuels ne fonctionnent que grâce à la théorie quantique. Si nous comprenons mieux la structure quantique de l’espace-temps, cela aura un impact sur les technologies futures – peut-être pas dans 50 ou 100 ans, mais peut-être dans 200 », a-t-elle déclaré.

Le monarque actuel devient long dans les dents et un nouveau prétendant se fait attendre depuis longtemps, mais nous ne pouvons pas décider laquelle des nombreuses options est la plus susceptible de réussir. Lorsque nous le ferons, la révolution qui en résultera pourrait porter ses fruits non seulement pour la physique théorique, mais pour tous.