LE MYSTÈRE DE LA GRAVITÉ POURRAIT BIENTÔT ÊTRE RÉSOLU GRÂCE À CE NOUVEAU MODÈLE THÉORIQUE ÉPOUSTOUFLANT
Micah Hanks, le 23 juin 2022
La gravité est une caractéristique commune de la vie sur Terre que toutes les créatures vivantes expérimentent quotidiennement. Pourtant, elle est suffisamment subtile pour passer inaperçue la plupart du temps.
Jusqu’à ce que nous laissions tomber un œuf, que nous 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 de la physique, bien que cachée à la vue de tous, exerce toujours une influence significative sur tout ce qui nous entoure.
Quelque 1029 fois plus faible que la 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 sont observables, la gravité est la force qui commande littéralement les mouvements des planètes, des étoiles et des galaxies. Même la lumière, que les lois universelles considèrent comme la chose la plus rapide qui existe, ne peut échapper à l’influence de la gravité.
Malgré son omniprésence, la gravité reste 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 peut être considérée non pas comme une force agissant sur les objets, mais plutôt comme un moyen d’observer la courbure de l’espace-temps lui-même, qui résulte des variations de la distribution de la masse dans l’univers.
Par exemple, un grand corps solaire courbera 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 ainsi une lune.
Aujourd’hui, les physiciens continuent à travailler sur les idées fondamentales d’Einstein afin de résoudre la question de la gravité d’une manière qui soit 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 » longtemps recherchée, comme celle 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 peuvent représenter la gravité et sa relation avec d’autres phénomènes de notre univers. Toutefois, l’un des problèmes soulevés par les tentatives passées de résoudre les questions persistantes sur la gravité est qu’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’inspire des travaux du physicien genevois du XVIIIe siècle Georges-Louis Le Sage, selon lequel des forces mécaniques sont 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 « sont affectées par 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 qui sépare la gravité de la physique quantique ne peut pas avoir épargné d’autres domaines« , a récemment écrit M. Edwards, proposant l’idée nouvelle que « la solution à ces problèmes vient de la relativité générale ou, plus précisément, d’un analogue 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 milieu 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 côté 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 affirme en outre que la corrélation explicite entre ces deux observations s’est avérée utile dans les explorations récentes de phénomènes tels que la lentille gravitationnelle, l’effet où la lumière est courbée en raison de la répartition de la matière entre un observateur et une source lumineuse très éloignée.
The Debrief s’est récemment entretenu avec M. Edwards qui, en plus d’évoquer les origines de son point de vue unique sur un analogue optique de la gravité, a également fourni plusieurs informations sur le rôle que jouent les ondes gravitationnelles et les particules hypothétiques telles que 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 perdue par les gravitons et les ondes gravitationnelles, ainsi que l’énergie perdue par les photons décalés 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, les poussant l’un contre l’autre. 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 gravitation, comme le modèle de Dirac avec G décroissant, 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 d’une planète, U, et qu’on la multiplie par la constante de Hubble, H0, elle semble être proportionnelle à la chaleur que la Terre et d’autres planètes émettent réellement. Pour la Terre, cette énergie était suffisante pour permettre une lente expansion de son rayon.
Plus tard, j’ai découvert que la même relation s’appliquait aux naines blanches, aux étoiles à neutrons et aux trous noirs. C’est comme si l’énergie potentielle gravitationnelle avait une contrepartie, une forme d’énergie discrète, plus proche des photons, qui pouvait se décomposer en photons et/ou en chaleur. Il était naturel d’identifier cette forme d’énergie aux gravitons. Il s’est avéré que si tout le stock d’énergie potentielle gravitationnelle de l’univers se décomposait de cette manière, l’énergie libérée était suffisante pour provoquer la gravité.
Le mécanisme de la 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 pensais donc pas que ce phénomène était dû à l’expansion universelle.
Q : Au cœur de votre discussion se trouve le graviton, et la façon dont il acquiert des longueurs d’onde plus grandes en raison du décalage vers le rouge de Hubble et de ses effets. Pouvez-vous nous parler un peu du 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 réside dans ce que l’on appelle l’analogie optique-mécanique de la relativité générale. Celle-ci 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 – c’est ce qu’on appelle la controverse 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) qui traverse un bloc de milieu optique transfère de l’énergie et de la quantité de mouvement au bloc lorsqu’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 cet espace-temps de gravitons soit également un milieu optique, comme celui que l’on trouve dans 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 passant à côté d’une masse perdraient de l’énergie et de la quantité de mouvement au profit de l’enveloppe de l’espace-temps attachée à la masse, qui serait ensuite transférée 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 que c’était la même vitesse que celle à laquelle 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, en ce qui concerne la définition de la composante optique de tout cela, comment un analogue optique de la relativité générale fonctionne-t-il en termes de relation avec la gravité, donnant ainsi naissance au concept que vous proposez de « gravité optique » ?
R : Dans la gravité optique, lorsqu’un graviton ou un photon passe devant une masse, il perd de l’énergie et de l’élan au profit de l’enveloppe spatio-temporelle qui entoure cette masse. Le mouvement de l’enveloppe est transféré par les liens 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 d’élan et d’énergie qu’il ne l’a fait pour la première. Dans le même temps, un graviton venant de la direction opposée perdra également plus d’énergie au profit de la première masse qu’au profit de la seconde. Les deux masses sont donc poussées l’une vers 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, décalés vers le rouge, sont retraités par les masses en gravitons cohérents à haute énergie, formant à nouveau des structures spatio-temporelles stables au niveau local. 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.
La gravité optique permet de relier la relativité générale à la théorie quantique. L’étudiant en sciences moyen aura entendu d’une part que la courbure de l’espace-temps dans la relativité générale est suffisante pour enseigner 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 c’est possible. Dans le même temps, les modèles de gravité quantique ont muté en de si nombreuses formes, toutes dégénérant 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 perdue donne naissance à des gravitons désordonnés, désormais déphasés par rapport à l’espace-temps. Ces gravitons rencontrent alors d’autres régions de courbure de l’espace-temps autour des masses et sont réintégrés par ces masses dans de nouvelles structures spatio-temporelles qui se chevauchent de manière cohérente. La perte de courbure entraîne un gain de courbure, le tout par l’intermédiaire des gravitons.
La gravité optique va cependant au-delà de la gravité. L’énergie des gravitons perdue en raison de la réfraction à l’intérieur des 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 à l’intérieur d’un corps dense peut être énorme. Les grandes forces de Hubble qui en résultent pourraient expliquer de nombreux processus géologiques et astrophysiques, tels que la tectonique des plaques sur Terre et la grande luminosité 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, disponible ici.
Micah Hanks est rédacteur en chef et cofondateur de The Debrief. Suivez son travail sur micahhanks.com et sur Twitter : @MicahHanks.