Les physiciens ont développé une nouvelle approche pour résoudre l’un des problèmes les plus persistants de la physique théorique: unir la gravité avec le monde quantique.
Dans un article récent publié dans la revue Rapports sur les progrès en physiqueles scientifiques décrivent une reformulation de la gravité qui pourrait conduire à une description entièrement compatible quantique – sans invoquer les dimensions supplémentaires ou les caractéristiques exotiques requises par des modèles plus spéculatifs, comme théorie des cordes.
Au cœur de la proposition se trouve une repensation de la façon dont la gravité se comporte à un niveau fondamental. Alors que les forces électromagnétiques, faibles et fortes sont toutes décrites en utilisant la théorie du champ quantique – un cadre mathématique qui intègre l’incertitude et la dualité des pratiques ondulées – pesanteur reste la valeur aberrante. La relativité générale, la théorie de la gravité d’Einstein, est une théorie purement classique qui décrit la gravité comme la déformation de la géométrie de l’espace-temps par la masse et l’énergie. Mais les tentatives de mélange de la théorie quantique avec la relativité générale se mettent souvent à des incohérences mathématiques fatales, telles que des probabilités infinies.
La nouvelle approche réinterprète le champ gravitationnel d’une manière qui reflète la structure des théories du champ quantique connues. « La conclusion clé est que notre théorie fournit une nouvelle approche de la gravité quantique d’une manière qui ressemble à la formulation des autres interactions fondamentales du modèle standard », co-auteur de l’étude Mikko Partanenun physicien à l’Université d’Aalto en Finlande, a déclaré à Live Science dans un e-mail.
Parce que le nouveau modèle reflète la structure de théories quantiques bien établies, elle contourne les problèmes mathématiques qui ont historiquement entravé les efforts pour quantifier la relativité générale. Selon les auteurs, leur cadre produit une théorie quantique bien définie qui évite des problèmes communs – tels que les infininiations non physiques en quantités observables et des probabilités négatives pour les processus physiques – qui surviennent généralement lorsque la relativité générale est quantifiée à l’aide de méthodes conventionnelles et directes.
Un avantage clé de l’approche est sa simplicité. Contrairement à de nombreux modèles de gravité quantique qui nécessitent des particules non détectées et des forces supplémentaires, cette théorie colle à un terrain familier.
« Les principaux avantages ou différences en comparaison avec de nombreuses autres théories de la gravité quantique sont que notre théorie n’a pas besoin de dimensions supplémentaires qui n’ont pas encore de soutien expérimental direct », » Jukka Tulkkiun professeur à l’Université Aalto et co-auteur du journal, a déclaré à Live Science dans un e-mail. « De plus, la théorie n’a pas besoin de paramètres libres au-delà des constantes physiques connues. »
Cela signifie que la théorie peut être testée sans attendre la découverte de nouvelles particules ou réviser les lois physiques existantes. « Toutes les futures expériences de gravité quantique peuvent être directement utilisées pour tester toutes les prédictions (à venir) de la théorie », a ajouté Tulkki.
En avant
Malgré les caractéristiques prometteuses, le modèle en est encore à ses débuts. Bien que les calculs préliminaires indiquent que la théorie se comporte bien sous les vérifications de cohérence habituelles, une preuve complète de sa cohérence reste à élaborer.
De plus, le cadre n’a pas encore été appliqué à certaines des questions les plus profondes de la physique gravitationnelle, comme la vraie nature de Singularités de trou noir ou la physique du Big Bang. « La théorie n’est pas encore capable de relever ces défis majeurs, mais il a le potentiel de le faire à l’avenir », a déclaré Partanen.
La vérification expérimentale peut s’avérer encore plus insaisissable. La gravité est la plus faible des forces connues, et ses aspects quantiques sont incroyablement subtils. Les tests directs des effets de gravité quantique sont hors de portée des instruments actuels.
« Tester les effets de gravité quantique est difficile en raison de la faiblesse de l’interaction gravitationnelle », a déclaré Tulkki. Pourtant, comme la théorie ne comprend aucun paramètre réglable, toute expérience future qui sonde le comportement gravitationnel quantique pourrait potentiellement confirmer – ou exclure – la nouvelle proposition.
« Compte tenu du rythme actuel des progrès théoriques et d’observation, cela pourrait prendre quelques décennies pour faire les premières percées expérimentales qui nous donnent des preuves directes des effets de la gravité quantique », a déclaré Partanen. « Des preuves indirectes par des observations avancées pourraient être obtenues plus tôt. »
Pour l’instant, les travaux de Partanen et Tulkki ouvrent une nouvelle direction aux théoriciens à la recherche d’une théorie quantique de la gravité – qui reste ancrée dans les cadres réussis de la physique des particules tout en débloquant potentiellement certains des mystères les plus profonds de l’univers.
