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Les physiciens tentent d’unifier toutes les forces de la nature et de rectifier le plus grand échec d’Einstein

Dans ses dernières années, Albert Einstein passait son temps à se pencher sur des moulins à vent, à essayer d’unifier toutes les forces de la nature. Il mourut déçu et sa tentative restera dans l’histoire comme son plus grand échec.

Mais le rêve raté d’Einstein pourrait finalement devenir son triomphe ultime, alors qu’un petit groupe de physiciens théoriciens retravaillait ses vieilles idées. Cela ne rassemblera pas nécessairement toutes les forces de l’univers, mais cela pourrait expliquer certains des problèmes les plus urgents auxquels la science moderne est confrontée.

Einstein ne suffit pas

La théorie la plus réussie de la gravité La célèbre théorie de la relativité générale d’Einstein est connue de l’humanité. Einstein a passé plus de sept ans à le développer, et cela valait la peine d’attendre. En surface, la relativité générale est d’une simplicité trompeuse. Tout le drame de l’univers se déroule sur la grande scène en quatre dimensions appelée espace-temps. La matière et l’énergie – les acteurs et actrices du cosmos – courent partout en faisant leur truc, en disant leurs répliques. La matière et l’énergie déforment l’espace-temps, le faisant se déformer et se courber. Cette déformation indique à son tour à la matière et à l’énergie comment bouger et se comporter.

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Et voilà: la relativité générale! Le dialogue constant entre la scène de l’espace-temps et la matière et l’énergie est ce que nous considérons comme la force de gravité.

La théorie d’Einstein a réussi tous les tests d’observation qui lui sont lancés, c’est pourquoi elle a survécu pendant le siècle depuis sa naissance. Il a prédit et expliqué des phénomènes étranges à travers l’univers, y compris la flexion de la lumière autour d’objets massifs et la formation de trous noirs.

Et pourtant, nous savons qu’il est cassé. Alors que la relativité générale dit que les trous noirs devraient exister, elle s’effondre complètement lorsqu’elle tente de décrire leurs cœurs singuliers. Nous n’avons aucune description de la gravité à une telle échelle subatomique où la mécanique quantique domine. À cette échelle, lorsque la gravité devient à la fois forte et à courte portée, la relativité générale ne peut même pas faire de prédictions – les calculs s’effondrent tout simplement.

Ce sont des endroits où l’on sait que la relativité générale s’effondre. Mais au-delà de cela, les astronomes ont remarqué deux phénomènes qui ne sont pas non plus complètement expliqués par la relativité générale: la plupart de la matière dans l’univers (soi-disant matière noire) n’interagit pas avec la lumière; et l’expansion de l’univers s’accélère chaque jour (ce qui serait causé par une énergie sombre encore inconnue). Afin d’expliquer la matière noire et l’énergie noire, nous avons deux choix. Soit la relativité générale est parfaitement correcte, mais notre cosmos est rempli de nouvelles substances étranges, soit la relativité générale est complètement fausse.

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Faites la torsion

Einstein lui-même a essayé de dépasser les limites de la relativité générale. Mais il n’était pas motivé par les énigmes des singularités des trous noirs ou d’un univers en accélération – personne ne savait que celles-ci existaient, et encore moins seraient des défis théoriques majeurs.

Au lieu de cela, Einstein était motivé par un objectif plus élevé: une tentative d’unifier toutes les lois (connues) de la physique dans un cadre mathématique unique. Dans son cas, il avait la gravité d’un côté, représentée par sa désormais célèbre relativité générale, et électromagnétisme de l’autre, représenté par les équations de Maxwell qui décrivaient tout depuis aimants et les courants électriques pour s’éclairer.

Dans ses tentatives de faire une super-théorie de tout, Einstein a introduit la Relativité Générale 2.0. La version de base de la relativité ne se soucie que de la courbure de l’espace-temps. Mais le redémarrage d’Einstein a également prêté attention à la torsion ou à la torsion de l’espace-temps. Il n’était pas nécessaire d’inclure la torsion dans sa théorie originale, car il s’est avéré que tout ce dont vous aviez besoin était la courbure pour expliquer la gravité. Mais maintenant qu’Einstein essayait d’expliquer plus que la gravité, il devait inclure des effets supplémentaires.

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Einstein avait espéré que la torsion de l’espace-temps serait en quelque sorte liée à l’électromagnétisme (de la même manière que la courbure de l’espace-temps est liée à la gravité) mais hélas, il ne pouvait trouver aucune solution et sa nouvelle théorie mourut avec lui.

Mais d’autres physiciens n’ont jamais abandonné le rêve, et ils tentent depuis d’unifier la physique. L’un des concepts les plus développés est appelé théorie des cordes, qui prétend que toutes les particules sont de très petites cordes vibrantes. Oh, et notre univers a des dimensions spatiales supplémentaires qui sont toutes minuscules et recroquevillées.

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La théorie des cordes n’a jamais été basée sur l’idée originale d’Einstein de la torsion de l’espace-temps, mais maintenant les physiciens donnent un second regard à cette vieille idée, appelée gravité téléparallèle.

Travailler en parallèle

Le nom «teleparallel» vient du travail original d’Einstein qui a examiné la nature des lignes parallèles distantes dans son cadre géométrique, explorant comment la courbure et la torsion de l’espace-temps affectaient le mouvement de la matière et de l’énergie. De nos jours, les physiciens ne pensent pas que la gravité téléparallèle puisse unifier la physique (même Einstein lui-même a finalement abandonné l’idée), mais elle peut être un candidat intéressant pour une nouvelle théorie de la gravité.

C’est parce que les théoriciens ont utilisé la gravité téléparallèle pour expliquer des choses comme l’expansion accélérée de l’univers, la première période après la Un grand Bang quand l’univers a gonflé, appelé «inflation» et des problèmes plus récents comme un conflit observé entre différentes mesures du taux d’expansion du cosmos. En d’autres termes, la gravité téléparallèle s’est avérée assez prédictive.

Mais qu’en est-il de ces premiers rêves d’une théorie unifiée? La gravité téléparallèle peut être une nouvelle approche intéressante et utile de la gravité, mais elle ne nous rapproche pas de la compréhension d’une loi plus fondamentale de la physique. Au lieu de cela, les physiciens ont utilisé le langage de la théorie des cordes pour faire ce travail, alors naturellement la question s’est posée: la théorie des cordes – qui prétend être une théorie ultime de tout – se connecte-t-elle d’une manière ou d’une autre à la gravité téléparallèle? En d’autres termes, si la gravité téléparallèle peut potentiellement résoudre tous ces problèmes désagréables comme la matière noire et l’énergie noire, est-ce que cela coule comme une conséquence naturelle de la théorie des cordes, ou est-ce que ces deux lignes séparées n’ont aucun lien l’une avec l’autre?

Récemment, les théoriciens ont commencé à lier la gravité téléparallèle à la théorie des cordes, fournissant une motivation pour la théorie dans l’univers filandreux, comme indiqué dans un article paru dans le journal de pré-impression arXiv en novembre. Dans leurs travaux, ils ont montré comment la gravité téléparallèle peut être une conséquence de la théorie des cordes. C’est une idée importante, car la théorie des cordes devrait être capable d’expliquer toutes les lois de la physique, et si la gravité téléparallèle est une meilleure version de la relativité générale et s’avère finalement correcte, alors vous devriez être en mesure de dériver le téléparallélisme à partir des mathématiques. de la théorie des cordes.

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Voici une analogie. Disons que la police identifie une arme du crime sur une scène de crime (relativité générale). Ils ont un suspect principal (théorie des cordes) qu’ils veulent connecter à l’arme du crime. Mais une nouvelle analyse de la scène du crime révèle qu’une arme différente (le téléparallélisme) a en fait causé le meurtre. Le principal suspect peut-il toujours être connecté à la nouvelle arme du crime?

La reponse courte est oui.

Il reste encore beaucoup de travail à faire. La théorie des cordes n’est pas encore terminée (et peut ne jamais l’être, si nous ne trouvons jamais de solutions mathématiques fermes), donc tout lien qu’elle peut établir avec la réalité est utile. Si la gravité téléparallèle s’avère être un moyen utile d’expliquer certaines des lacunes actuelles de la relativité générale, et que nous pouvons dériver le téléparallélisme de la théorie des cordes, alors c’est une étape de plus dans la réalisation du rêve ultime d’unification d’Einstein – pas la façon dont il l’envisageait, mais ça compte toujours.

Publié à l’origine sur 45Secondes.fr.

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