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Et si Einstein avait tort ? Des astrophysiciens remettent en question la théorie de l’espace-temps

Devrions-nous faire abstraction de l’une des théories fondamentales de la physique pour mieux comprendre l’univers ? En tout cas, des scientifiques travaillent sur la refonte de certaines idées liées à la théorie de l’espace-temps d’Einstein.

Pour progresser de façon radicale, la science, comme l’histoire, a besoin de révolutions. Cela s’est produit maintes fois dans l’histoire de la physique et de l’astronomie. Au début, nos ancêtres pensaient par exemple que la Terre se trouvait au centre du système solaire. Une idée qui a perduré pendant près de 10 siècles…

Puis, l’astronome polonais Nicolas Copernic (1473-1543) a tout fait basculer avec sa théorie du système héliocentrique dans lequel la Terre et les autres planètes tournent autour du Soleil. Une nouvelle révolution a eu lieu à la fin du 17e siècle lorsque Newton a découvert que la gravité était responsable de cette façon dont les planètes orbitent autour de notre étoile.

La relativité générale, une théorie qui régit la physique depuis plus de 100 ans

Au début du 20e siècle, plus précisément en 1915, Albert Einstein est venu détrôner les « Principes mathématiques de la philosophie naturelle » d’Isaac Newton avec sa théorie de la relativité générale. Plutôt que de considérer la gravité comme une simple force de traction, Einstein la voyait comme le résultat d’un espace courbe. D’après lui, tout ce qui se trouve dans l’univers fait partie d’une sorte de tissu lisse à quatre dimensions appelé espace-temps.

Plus un corps céleste est massif, plus il déforme l’espace-temps autour de lui. La physique et l’astronomie reposent aujourd’hui en grande partie sur cette théorie. La découverte des ondes gravitationnelles en 2015, prédites par le physicien théoricien né à Ulm dans le Wurtemberg (Empire allemand), a d’ailleurs permis de la renforcer.

Théorie de l’espace-temps : et si Albert Einstein avait tort ?
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. Crédit photo : Shutterstock / Samuel Ponce

« Le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, plus connu sous le nom de LIGO, a mis en marche ses capteurs améliorés le 12 septembre 2015. En 48 heures, il avait effectué sa première détection », racontent nos confrères de NewScientist au sujet de cette découverte.

Incompatible avec la théorie quantique

Force est cependant de constater que les scientifiques s’intéressent de nos jours de plus en plus à la théorie quantique qui est fondamentalement incompatible avec la relativité générale. Comme le souligne le site Space.com, le monde quantique est relativement étrange. Dans ce domaine, des particules uniques peuvent par exemple être à deux endroits à la fois. Et la modification de l’état de l’une aura une incidence sur celui de l’autre.

Théorie de l’espace-temps : et si Albert Einstein avait tort ?
L’espace-temps serait composé d’une série de boucles entrelacées. Crédit photo : Shutterstock / Min C. Chiu

Einstein a dit que l’espace-temps est déformé par la matière et l’énergie, mais la physique quantique suggère que les deux existent simultanément dans plusieurs états. « Un champ gravitationnel ne peut pas être à deux endroits à la fois », a déclaré Sabine Hossenfelder, physicienne théoricienne à l’Institut d’études avancées de Francfort. En dépit de cette incompatibilité, certains scientifiques cherchent un moyen de concilier les deux.

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Différentes approches théoriques

À ce propos, la théorie des cordes est sans aucun doute la plus notable. Celle-ci postule que différentes combinaisons de cordes différentes créent des particules différentes. Les cordes doivent à cet effet vibrer à travers onze dimensions, soit bien plus les quatre dimensions dans le tissu spatio-temporel d’Einstein. Malheureusement, il n’existe pour l’heure aucune preuve attestant l’existence de ces dimensions supplémentaires.

Face à cela, d’autres physiciens ont préféré se tourner vers une alternative appelée Loop Quantum Gravity (LQG). Il s’agit d’un concept qui élimine l’un des principes de base de la relativité générale, à savoir le fait que l’espace-temps soit un tissu lisse et continu. Les défenseurs de cette hypothèse avancent que l’espace-temps est composé d’une série de boucles entrelacées aux plus petites échelles de taille, soit au niveau de l’échelle de Planck (autour d’un billionième de billionième de billionième de mètre). À ce niveau, il faudrait un atomiseur 1000 trillions de fois plus puissant que le grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN pour tester la validité de la LQG, affirme Jorma Louko de l’Université de Nottingham.

Pour trouver la solution, il faudrait alors regarder vers les étoiles. Les rayonnements cosmiques qui parviennent à la Terre ont parcouru des milliards d’années-lumière d’espace-temps. Mais là encore, les scientifiques font face à un obstacle majeur. « Leur spectre (celui des rayons cosmiques, ndlr) a une distorsion systématique », a expliqué Hossenfelder. Sauf qu’on ne sait pas si c’est quelque chose qui se produit en cours de route ou si c’est lié à la source des sursauts eux-mêmes.

Bref, pour progresser, nous devrions peut-être remettre en question la notion d’espace-temps telle qu’Einstein l’a suggéré. Les physiciens Laurent Freidel, Robert Leigh et Djordje Minic pensent par exemple que celui-ci n’existe pas indépendamment des objets qu’il contient. Ils ont alors inventé une théorie baptisée “espace-temps modulaire” qui inclut un phénomène étrange qu’Einstein avait surnommé « action effrayante à distance ». Mais pour l’heure, leurs travaux sont loin d’être achevés, l’équipe préférant « progresser lentement ». « Nous voulons être conservateurs et avancer pas à pas », a déclaré Minic. Et d’ajouter : « mais c’est passionnant et intéressant ».

https://youtu.be/8mXA8n9zAL4?t=317

 

Marc Odilon

Tout ce qui touche de près ou de loin à l'High-tech me fascine !

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