LE MYSTÈRE DE LA GRAVITÉ POURRAIT BIENTÔT ÊTRE RÉSOLU GRÂCE À CE NOUVEAU MODÈLE THÉORIQUE ÉPOUSTOUFLANT
MICAH HANKS, le 23 juin 2022 pour The Debrief
Traduction par Toledo, le 23 juin 2022 – Tous droits de traduction réservés
La gravité est une caractéristique commune de la vie sur Terre que toutes les créatures vivantes expérimentent au quotidien. Pourtant, elle est suffisamment subtile pour passer inaperçue la plupart du temps.
Jusqu’à ce que nous fassions tomber un œuf, renversions notre café ou qu’un vase coûteux tombe d’une étagère dans notre maison, nous rappelant que même la plus faible des quatre interactions fondamentales connues en physique, bien que cachée à la vue de tous, exerce une influence significative sur tout ce qui nous entoure.
Quelque 1029 fois plus faible que la bien nommée force faible, qui régit la désintégration radioactive des atomes, la gravité est si subtile qu’elle n’a pratiquement aucun effet au niveau subatomique. Pourtant, à l’échelle où les interactions entre les objets nous sont observables, la gravité est la force qui commande littéralement le mouvement des planètes, ainsi que celui des étoiles et des galaxies. Même la lumière, qui, selon les lois universelles, est la chose la plus rapide qui existe, ne peut échapper à l’influence de la gravité.
Malgré son omniprésence, la gravité reste également l’un des grands mystères de la physique moderne. Bien qu’il n’existe pas de théorie complète ou parfaite sur le fonctionnement de la gravité, la meilleure description reste celle qu’Einstein nous a donnée en 1915 avec la publication de sa théorie générale de la relativité. Pour Einstein, la gravité n’est pas tant une force agissant sur les objets, qu’un moyen d’observer la courbure de l’espace-temps elle-même, qui résulte des variations de la distribution de la masse dans l’univers.
Par exemple, un grand corps solaire va courber l’espace-temps autour de lui de telle sorte qu’une planète plus petite sera attirée en orbite autour de lui. De la même manière, des objets encore plus petits seront également attirés par l’influence gravitationnelle de cette planète, et pourront ainsi entrer en orbite autour d’elle, devenant une lune.
Aujourd’hui, les physiciens continuent de travailler à l’élargissement des idées fondamentales d’Einstein afin de résoudre la question de la gravité d’une manière qui soit également en harmonie avec nos connaissances de la mécanique quantique. Une théorie de la gravité quantique, par essence, serait importante pour les scientifiques car elle permettrait non seulement d’unir nos perspectives macroscopiques et subatomiques de la réalité, mais aussi d’intégrer mathématiquement la gravité et les trois autres interactions fondamentales dans une « théorie du tout » recherchée depuis longtemps et que les physiciens aspirent actuellement à formuler.
Plusieurs théories ont été avancées au fil des ans, dans le but d’aider les physiciens à mieux comprendre ce que peut représenter la gravité et sa relation avec d’autres phénomènes dans notre univers. Cependant, les tentatives passées de résoudre les questions persistantes sur la gravité posent un problème : elles ne tiennent souvent pas compte de tous les éléments théoriques nécessaires à une véritable théorie de la gravité quantique.
Matthew Edwards, qui a travaillé pendant des années à la bibliothèque de l’université de Toronto, est également un chercheur indépendant de longue date sur des sujets théoriques qui incluent la physique de la gravitation. Cet intérêt l’a conduit à éditer le volume Pushing Gravity : New Perspectives on Le Sage’s Theory of Gravitation, qui s’appuie sur les travaux du physicien genevois du XVIIIe siècle Georges-Louis Le Sage, qui postulait que des forces mécaniques étaient à l’œuvre derrière le mystère de la gravité.
Selon M. Edwards, les tentatives modernes de création d’une théorie quantique globale de la gravité « pâtissent de la faiblesse des fondements théoriques de la physique quantique », ce qui, selon lui, a conduit à des hypothèses qui « acquièrent plus de respectabilité qu’elles ne le méritent peut-être ».
« L’énorme fossé entre la gravité et la physique quantique ne peut pas avoir laissé d’autres domaines non affectés », a récemment écrit Edwards, proposant l’idée inédite que « la solution à ces questions vient de la relativité générale – ou, plus précisément, d’un analogie optique de celle-ci. »
Dans un nouvel article intitulé « Optical gravity in a graviton spacetime » (Optik, Volume 260, Juin 2022), Edwards propose une nouvelle théorie de la gravité basée sur des observations passées qui ont suggéré l’existence d’un support optique de l’espace-temps qui non seulement sert d’analogue aux effets observables de la gravité, mais qui pourrait également fournir un moyen physique qui pourrait potentiellement aider à en rendre compte. Parmi ces observations figure la manière dont la lumière est déviée lorsqu’elle passe à proximité d’une masse, ce qui, comme le note Edwards, est « mathématiquement équivalent à la réfraction de la lumière dans un milieu optique présentant un gradient de densité. » Ce n’est pas une simple coïncidence pour Edwards, qui ajoute que la corrélation explicite entre ces deux observations s’est avérée utile dans de récentes explorations de choses comme la lentille gravitationnelle, l’effet où la lumière est déviée en raison de la distribution de la matière entre un observateur et une source lumineuse très éloignée.
The Debrief s’est récemment entretenu avec M. Edwards, qui a non seulement évoqué les origines de ses perspectives uniques sur un analogue optique de la gravité, mais a également fourni plusieurs informations sur le rôle que jouent les ondes gravitationnelles et les particules hypothétiques comme les gravitons dans sa théorie, et sur ce que tout cela pourrait signifier en termes de résolution de l’une des plus grandes questions de la physique moderne.
Q : Pouvez-vous nous expliquer comment vous avez formulé la possibilité que l’énergie que perdent les gravitons et les ondes gravitationnelles, ainsi que l’énergie perdue par les photons décalés vers le rouge dans le contexte de l’expansion de l’espace-temps, puisse être liée à la gravité telle que nous l’observons actuellement ?
R : J’ai toujours été intéressé par les modèles de gravité similaires à la théorie de Le Sage. Dans ces modèles, l’espace est rempli de minuscules particules ou d’ondes électromagnétiques qui frappent les objets de tous les côtés et les rapprochent. J’ai édité un livre sur ce sujet en 2002, intitulé « Pushing Gravity : New Perspectives on Le Sage’s Theory of Gravitation ». J’y ai rassemblé de nombreux modèles de type Le Sage. À l’époque, mon propre modèle était plutôt faible. Certains modèles de gravité, comme le modèle G décroissant de Dirac, avaient des implications pour la géologie. Dans certains de ces modèles, on pensait que la Terre et d’autres corps se dilataient lentement. En explorant cet aspect, j’ai remarqué que si l’on prend l’énergie potentielle gravitationnelle interne U d’une planète et qu’on la multiplie par la constante de Hubble, H0, elle semble être proportionnelle à la chaleur que la Terre et les autres planètes émettent réellement. Pour la Terre, cela donnait également suffisamment d’énergie pour permettre à son rayon de s’étendre lentement.
Plus tard, j’ai découvert que la même relation était également vraie pour les naines blanches, les étoiles à neutrons et les trous noirs. C’était comme si l’énergie potentielle gravitationnelle avait une contrepartie, une forme d’énergie discrète, plus proche des photons, qui pouvait se désintégrer en photons et/ou en chaleur. Il était naturel d’identifier cette forme d’énergie aux gravitons. Il s’est avéré que si la totalité de l’énergie potentielle gravitationnelle de l’univers se décomposait de cette manière, l’énergie libérée était suffisante pour provoquer la gravité.
Le mécanisme de gravité n’était cependant pas encore clair, car je ne comprenais pas encore pourquoi les gravitons ou les photons devaient se désintégrer de cette manière. Je n’avais jamais soutenu le modèle du Big Bang et je ne supposais donc pas que la gravité était due à l’expansion universelle.
Q : Le graviton est au cœur de votre discussion et la façon dont il acquiert de plus grandes longueurs d’onde en raison du décalage vers le rouge de Hubble et de ses effets. Pouvez-vous nous parler un peu de ce processus, en termes de perte d’élan et d’énergie, qui, selon vous, pourrait produire une force d’attraction compatible avec la gravité ?
R : La clé de la gravité optique est l’analogie optique-mécanique de la relativité générale. Cette analogie traite la déviation de la lumière relativiste par une masse comme si elle se produisait par réfraction dans un milieu optique autour de cette masse. La nature de la quantité de mouvement optique dans les matériaux optiques reste problématique – la controverse dite d’Abraham-Minkowski – mais dans le contexte spatial, c’est l’interprétation d’Abraham qui semble la plus applicable. En conséquence, un photon (ou un graviton), en traversant un bloc de milieu optique, transfère de l’énergie et de la quantité de mouvement au bloc pendant qu’il se trouve à l’intérieur de celui-ci.
Je propose que l’espace-temps soit constitué de tous les courants ou filaments de gravitons s’étendant entre toutes les masses de l’univers visible. Pour que ce milieu espace-temps de gravitons soit également un milieu optique, comme c’est le cas pour les matériaux optiques ordinaires, il faudrait que les gravitons aient certaines des propriétés des photons. Ils pourraient être une forme de photon virtuel, par exemple. Dans ce cas, en utilisant l’interprétation d’Abraham de la quantité de mouvement optique, les gravitons et les photons qui passent devant une masse perdraient de l’énergie et de la quantité de mouvement dans l’enveloppe de l’espace-temps attachée à la masse, qui seraient ensuite transférées à la masse elle-même. J’ai calculé la vitesse à laquelle les photons et les gravitons perdraient de l’énergie en passant devant toutes les masses éloignées de l’univers. Il s’est avéré être le même taux que celui auquel la lumière perd de l’énergie avec la constante de Hubble, H0. J’avais donc un mécanisme qui pouvait expliquer à la fois d’où vient l’énergie de la gravité et ce qu’est réellement la constante de Hubble.
Q : Enfin, pour ce qui est de la définition de la composante optique de tout ceci, comment fonctionne un analogue optique de la relativité générale en termes de relation avec la gravité, donnant ainsi naissance au concept de « gravité optique » que vous proposez ?
R : Dans la gravité optique, lorsqu’un graviton ou un photon passe devant une masse, il perd de l’énergie et de l’élan dans l’enveloppe de l’espace-temps autour de cette masse. Le mouvement de l’enveloppe est transféré par les liaisons du graviton à la masse elle-même, qui est alors également poussée. Le graviton a donc moins d’énergie lorsqu’il passe devant une deuxième masse, et lui transfère donc moins de quantité de mouvement et d’énergie qu’à la première. Pendant ce temps, un graviton venant de la direction opposée perdra également plus d’élan vers la première masse passée que vers la seconde. Les deux masses sont donc poussées l’une contre l’autre. Si l’on additionne les effets de tous les gravitons de l’univers passant devant les deux masses, on obtient la gravité newtonienne et la constante gravitationnelle G. Le contenu énergétique total des gravitons dans l’univers reste cependant le même, car les gravitons plus faibles et décalés vers le rouge sont retraités par les masses en gravitons cohérents à haute énergie, formant à nouveau localement des structures stables de l’espace-temps. C’est encore la théorie de Le Sage, sauf que l’ombrage mutuel se produit à l’échelle cosmique plutôt qu’à l’échelle des noyaux atomiques.
Avec la gravité optique, nous pouvons relier la relativité générale à la théorie quantique. L’étudiant moyen en sciences aura entendu d’une part que la courbure de l’espace-temps dans la relativité générale est suffisante pour apprendre aux masses « comment se déplacer ». Mais comment la courbure de l’espace-temps induite par deux atomes d’hydrogène séparés par des années-lumière peut-elle être si précise qu’elle donne la force gravitationnelle correcte entre eux ? Il est vraiment étonnant d’imaginer que cela soit possible. Dans le même temps, les modèles de gravité quantique ont muté en tant de formes, dégénérant toutes en mathématiques sans fin, qu’ils ne nous mènent vraiment nulle part. Dans la gravité optique, la courbure de l’espace-temps ne guide pas directement les masses, mais l’énergie qu’elle perd donne naissance à des gravitons désordonnés, désormais déphasés par rapport à l’espace-temps. Ces gravitons rencontrent ensuite d’autres régions de courbure de l’espace-temps autour des masses et sont réintégrés par ces dernières dans de nouvelles structures d’espace-temps qui se chevauchent de manière cohérente. La perte de courbure entraîne un gain de courbure, le tout sous la médiation des gravitons.
La gravité optique va cependant au-delà de la gravité. La perte d’énergie des gravitons due à la réfraction à l’intérieur de grands corps, comme les étoiles et les planètes, donne également lieu à ce que j’appelle la force de Hubble. Même si la constante de Hubble est minuscule, l’énergie libérée par les gravitons échangés au sein d’un corps dense peut être énorme. Les grandes forces de Hubble qui en résultent pourraient expliquer de nombreux processus géologiques et astrophysiques, comme la tectonique des plaques sur Terre et les grandes luminosités des étoiles à neutrons et des trous noirs.
Pour en savoir plus sur la théorie de la gravité optique d’Edward et sur son récent article intitulé « Optical gravity in a graviton spacetime », Edwards a publié un essai en ligne que vous pouvez consulter ici.
Notes de Toledo
Bien entendu il s’agit d’une brillante théorie, qui a le mérite d’une « certaine » simplicité.
Pour rappel, aujourd’hui beaucoup de scientifiques poussent vers un modèle très complexe appelé ER = EPR, qui permettrait d’unifier la relativité générale et la mécanique quantique.
On est ici au nouveau de l’intrication quantique, et toute particule intriquée serait reliées entre elles par de minuscules trous de ver permettant l’échange instantanés des informations, que l’on a déjà mesuré de manière scientifique.
Un espèce de « Sub-Espace » à la Star Trek, quoi ;>)