Energie noire : Einstein est-il passé tout près en 1919 ?

L’héritage d’Einstein est bien vivant, la preuve : l’une de ses tentatives pour unifier la physique des particules de matière avec celle des champs de force contient peut-être en germe une des clés de la solution de l’énigme de l’énergie noire en physique quantique.

Comme nous l’avons expliqué dans un précédent article introductif sur la géométrie non-commutative en physique, Albert Einstein a très tôt entrepris d’aller au-delà de sa propre théorie de la relativité générale. L’objectif était double car il s’agissait non seulement de découvrir une théorie unifiée qui aurait réuni le champ de gravitation avec le champ électromagnétique au sein d’un seul champ mais également une théorie non dualiste de la matière et des champs. Rappelons qu’en ce qui concerne les particules de matière à la fin des années 1910, cela voulait dire les protons et les électrons, puisque le neutron, les neutrinos et les mésons étaient alors inconnus.

Avant sa formulation finale de la théorie de la relativité générale, en novembre 1915, Einstein avait déjà réfléchi, comme plusieurs de ses contemporains et en particulier Poincaré, à des modèles décrivant la structure et les propriétés des particules chargées, en l’occurrence, les électrons. Poincaré avait montré que l’on pouvait retrouver plusieurs phénomènes liés aux propriétés de l’électron en le considérant comme une répartition étendue de charge qui n’explosait pas sous l’effet de la répulsion électrostatique de ses parties si l’on supposait qu’une autre force s’y opposait.

En 1919, Einstein avait été conduit à modifier légèrement les équations de la relativité générale, dans le cadre de ses recherches sur une théorie non dualiste de la matière et du champ (supposant donc que les particules sont des concentrations d’énergie dans un champ unitaire et pas des objets étrangers à ce champ qu’il fallait postuler). Il avait alors obtenu pour la première fois ce que les physiciens actuels appellent la théorie unimodulaire de la gravitation.

Equations Einstein cosmologie

Les équations d’Einstein pour la cosmologie du modèle standard contiennent un terme décrivant une énergie particulière dans l’univers. L’étude des galaxies a montré que ce terme existait bien, il s’agit de l’énergie noire qui accélère l’expansion du cosmos depuis quelques milliards d’années. (Source : Shane L. Larson)

Magiquement, cette théorie prédisait l’existence d’une force de pression issue de la gravité capable de jouer le rôle, en théorie du moins, de la force postulée par Poincaré. On peut montrer que cette théorie reproduit bon nombre des prédictions de la relativité générale, sauf qu’elle peut conduire à des violations de la conservation de l’énergie !

Nous n’avons pas de raisons valables de douter de cette loi, très bien vérifiée par l’expérience, mais cela n’a pas empêché les physiciens, qui ne sont ni dogmatiques ni étouffés par une soi-disant pensée unique, d’explorer plusieurs théories qui d’une façon ou d’une autre peuvent conduire à des violations de la conservation de l’énergie. Il existe par exemple des modifications des équations de la mécanique quantique, notamment dans l’étude de l’évaporation des trous noirs par rayonnement Hawking, qui viole cette conservation de l’énergie.

Indépendamment de cette problématique, le physicien Lee Smolin, entre autres, a montré que la théorie unimodulaire de la gravité contenait peut-être la solution d’une énigme parfois considérée comme la pire prédiction de la physique. En effet, la théorie quantique tend à prédire que les champs de matière et de forces possèdent une énergie minimale colossale, c’est-à-dire qu’ils doivent se manifester sous la forme d’une densité d’énergie du vide quantique, la fameuse énergie noire, possédant une valeur extraordinairement élevée.

Problème, la valeur calculée de cette énergie est 10120 fois plus élevée (1 avec 120 zéros !) que ce que montrent les observations depuis 1998. On a bien du mal à produire des théories qui s’accordent avec cette observation et elle est troublante à plus d’un titre car selon la théorie d’Einstein, comme Pauli l’avait compris dès les années 1920 (voir l’article ci-dessous), une telle densité d’énergie doit tellement courber l’espace sur lui-même qu’il serait plus petit que la Terre. Or il semble bel et bien que la théorie unimodulaire de la gravité supprime automatiquement l’effet de l’énergie du vide sur la courbure de l’espace-temps, tout en introduisant une constante cosmologique qui se manifeste par une accélération de l’expansion de l’univers observable depuis quelques milliards d’années.

Le journal Science vient d’attirer l’attention sur l’un des derniers travaux qui spéculent sur la pertinence de la théorie proposée par Einstein en 1919. Il s’agit d’un article déposé sur arXiv par trois physiciens, Thibault Josset et Alejandro Perez, de l’université d’Aix-Marseille, en compagnie de leur collègue Daniel Sudarsky, de l’université nationale autonome du Mexique (Universidad Nacional Autónoma de México, UNAM).

Les trois chercheurs montrent que l’on peut connecter la valeur de la constante cosmologique actuelle à la quantité d’énergie non conservée impliquée par la gravité unimodulaire. Il faut pour cela relier cette violation de la conservation de l’énergie à celle intervenant notamment dans une classe de théories modifiant les équations de la mécanique quantique afin d’expliquer certains de ses paradoxes.

En effet, la théorie quantique autorise en quelque sorte une particule à être en plusieurs endroits à la fois. Comment se fait-il que nous n’observions rien de tel à l’échelle macroscopique ? C’est un avatar d’un célèbre problème en physique quantique et qui se cache sous les désignations ésotériques de problème de la réduction du paquet d’onde ou encore de l’effondrement du vecteur d’état, ou, plus sobrement, de problème de la mesure. En 1985, les physiciens Ghirardi, Rimini et Weber ont proposé un mécanisme impliquant une modification de la théorie quantique et forçant une particule à se localiser au bout d’un temps souvent très long. L’effet est très faible mais les objets macroscopiques contenant au moins des millions de milliards de milliards de particules et parfois bien plus, le mécanisme est finalement très rapide.

La théorie de Ghirardi-Rimini-Weber a par la suite été étendue et elle a donné finalement ce qu’on appelle la théorie de la localisation continue spontanée ou CSL (pour continuous spontaneous localization). C’est cette théorie qui a été mise en connexion avec la gravité unimodulaire et la cosmologie.

Tout ceci reste bien sûr très spéculatif. Pour aller plus loin, il faut explorer toutes les voies ouvertes au-delà de la physique du modèle standard. De plus, l’idée qu’il est nécessaire de modifier les équations et l’interprétation de la mécanique quantique, en particulier avec l’introduction de phénomènes non linéaires, ce qui est bien le cas avec la théorie CSL, est complétement dans l’esprit d’Einstein. L’avenir pourrait montrer que le père de la théorie de la relativité, et dans une certaine mesure de la mécanique quantique, avait des décennies d’avance, voire un siècle…

Source : Futura-Sciences

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