Le mystère de la gravité pourrait bientôt être résolu avec l’aide de ce nouveau modèle théorique époustouflant

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La gravité est une caractéristique commune de la vie sur Terre que tous les êtres vivants vivent quotidiennement. Pourtant, il est suffisamment subtil pour que, la plupart du temps, il passe inaperçu.

Autrement dit, jusqu’à ce que nous laissions tomber un œuf, renversions notre café ou qu’un vase coûteux tombe d’une étagère dans nos maisons, 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 un effet significatif influence sur tout ce qui nous entoure.

Quelque 1029 fois plus faible que la force faible bien nommée, 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 nous sont observables, la gravité est la force qui commande littéralement les mouvements des planètes, ainsi que celui des étoiles et des galaxies. Même la lumière, que les lois universelles gouvernent pour être la chose la plus rapide qui existe, ne peut échapper à l’influence de la gravité.

Malgré son omniprésence, la gravité reste aussi l’un des grands mystères de la physique moderne. S’il ne reste aucune théorie complète ou parfaite sur le fonctionnement de la gravité, la meilleure description de celle-ci 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 tant 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 répartition de la masse dans l’univers.

(Image : Unsplash)

Par exemple, un grand corps solaire courbera l’espace-temps autour de lui de sorte qu’une planète plus petite sera entraînée 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 une lune.

Aujourd’hui, les physiciens continuent de travailler à développer les idées fondamentales d’Einstein pour résoudre la question de la gravité d’une manière qui fonctionne également en harmonie avec notre connaissance de la mécanique quantique. Une théorie de la gravité quantique, par essence, serait importante pour les scientifiques car elle unirait non seulement nos perspectives macroscopiques et subatomiques de la réalité, mais permettrait également potentiellement à la gravité d’être incorporée mathématiquement avec les trois autres interactions fondamentales dans une recherche de longue date. théorie du tout » dont les physiciens aspirent actuellement à formuler.

Plusieurs théories ont été avancées au fil des ans, visant à aider les physiciens à mieux comprendre ce que la gravité et sa relation avec d’autres phénomènes de notre univers peuvent représenter. Cependant, un problème qui a surgi des tentatives passées pour résoudre les questions persistantes sur la gravité est qu’elles ne tiennent souvent pas compte de tous les composants théoriques requis pour 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 amené à éditer le volume Pousser la gravité : nouvelles perspectives sur la théorie de la gravitation de Le Sage, qui s’inspire des travaux du 18eGeorges-Louis Le Sage, physicien genevois du siècle dernier, a postulé qu’il y avait des forces mécaniques à l’œuvre derrière le mystère de la gravité.

Selon Edwards, les tentatives modernes de création d’une théorie quantique globale de la gravité “sont minées par les faibles fondements théoriques de la physique quantique”, qui, selon lui, ont conduit à des hypothèses qui “acquièrent plus de respectabilité qu’elles ne le méritaient peut-être”.

“L’énorme fossé entre la gravité et la physique quantique ne peut pas avoir laissé d’autres domaines inchangés”, a récemment écrit 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”.

la gravité
(Image : Unsplash)

Dans un nouvel article intitulé « Gravité optique dans un espace-temps graviton » (Optique, Volume 260, juin 2022), Edwards propose une nouvelle théorie de la gravité basée sur des observations passées qui ont laissé entendre qu’il existe un milieu optique de l’espace-temps qui non seulement sert d’analogue pour les effets observables de la gravité, mais qui pourrait également fournir un moyen physique qui pourrait potentiellement aider à en rendre compte. Ces observations incluent la façon dont la lumière est déviée lorsqu’elle passe par la masse, ce qui, comme le note Edwards, est “mathématiquement équivalent à la réfraction de la lumière dans un milieu optique avec un gradient de densité”. Ce n’est pas un simple hasard pour Edwards, qui soutient en outre que la corrélation explicite entre ces deux observations s’est avérée utile dans les explorations récentes de choses comme la lentille gravitationnelle, l’effet où la lumière est courbée en raison de la répartition de la matière entre un observateur et un source de lumière très éloignée.

Le débriefing a récemment rencontré Edwards, qui en plus de discuter des origines de ses perspectives uniques sur un analogue optique de la gravité, a également fourni plusieurs informations sur le rôle des ondes de gravité et des particules hypothétiques comme les gravitons jouent dans sa théorie, et ce que tout cela pourrait signifier dans termes de résolution de l’une des plus grandes questions de la physique moderne.

Q : Pouvez-vous expliquer un peu comment vous avez formulé la possibilité que l’énergie perdue par les gravitons et les ondes de gravité, ainsi que l’énergie perdue par les photons décalés vers le rouge dans le contexte de l’expansion de l’espace-temps, puisse être liée à la gravité telle que nous l’observons actuellement ?

UN: 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 ensemble. J’ai édité un livre sur ce sujet en 2002, intitulé « Pushing Gravity : New Perspectives on Le Sage’s Theory of Gravitation ». J’ai rassemblé de nombreux modèles de type Le Sage. Mon propre modèle à l’époque était plutôt faible. Certains modèles de gravité, comme la diminution de Dirac g modèle, avait 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 vous prenez l’énergie potentielle gravitationnelle interne d’une planète tu et multipliez-le par la constante de Hubble, H0, il semblait être proportionnel à la chaleur que la Terre et les autres planètes émettent réellement. Pour la Terre, il a également donné suffisamment d’énergie pour permettre à son rayon de s’étendre lentement.

Plus tard, j’ai découvert que la même relation était également vraie pour les naines blanches, les étoiles à neutrons et les trous noirs. C’était comme si l’énergie potentielle gravitationnelle avait une contrepartie, une forme discrète d’énergie, plus comme des photons, qui pourraient se désintégrer en photons et/ou en chaleur. Il était naturel d’identifier cette forme d’énergie avec les gravitons. Il s’est avéré que si toute la réserve 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 pas encore clair, cependant, car je ne comprenais pas encore pourquoi les gravitons ou les photons devraient se désintégrer de cette manière. Je n’avais jamais soutenu le modèle du Big Bang et je ne supposais donc pas qu’il était dû à une expansion universelle.


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Q : Au cœur de ce dont vous parlez, il y a le graviton et la façon dont il acquiert des longueurs d’onde plus longues en raison du décalage vers le rouge de Hubble et de ses effets. Pouvez-vous parler un peu du processus ici, en termes de perte de quantité de mouvement et d’énergie qui se produit, qui, selon vous, pourrait produire une force d’attraction compatible avec la gravité ?

UN: La clé de la gravité optique est la soi-disant analogie optique-mécanique en relativité générale. Cela traite la déviation de 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 est toujours problématique – la controverse dite d’Abraham-Minkowski – mais dans le contexte spatial, c’est l’interprétation d’Abraham qui semble la plus applicable. En conséquence, un photon (ou graviton) en traversant un bloc de support optique transfère de l’énergie et de la quantité de mouvement au bloc alors qu’il se trouve à l’intérieur.

Je propose que l’espace-temps se compose de tous les courants ou filaments de gravitons s’étendant entre toutes les masses de l’univers visible. Pour que ce milieu d’espace-temps graviton soit également un milieu optique, comme on en trouve dans les matériaux optiques ordinaires, les gravitons devraient avoir 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 par 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 alors transférée sur la masse elle-même. J’ai calculé la vitesse à laquelle les photons et les gravitons perdraient de l’énergie en passant par toutes les masses lointaines de l’univers. Il s’est avéré que c’était le même rythme que la lumière perd de l’énergie avec la constante de Hubble, H0. J’avais donc un mécanisme qui expliquait potentiellement 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 lieu à votre concept proposé de « gravité optique » ?

UN: En gravité optique, comme tout graviton ou photon passe devant une masse, il perdrait de l’énergie et de l’élan au profit de l’enveloppe de l’espace-temps autour de cette masse. Le mouvement de l’enveloppe est transféré par les liaisons gravitons à la masse elle-même, qui est alors également poussée. Le graviton a donc moins d’énergie lorsqu’il traverse une seconde masse, et lui transfère donc moins de quantité de mouvement et d’énergie qu’il ne l’a fait à la première. Pendant ce temps, un graviton venant de la direction opposée perdra également plus d’élan à la première masse dépassée qu’à la seconde. Cela provoque le rapprochement des deux masses. Si vous additionnez les effets de tous les gravitons de l’univers passant par les deux masses, cet effet produit la gravité newtonienne et la constante gravitationnelle g. Cependant, le contenu énergétique total des gravitons dans l’univers reste le même, car les gravitons plus faibles et décalés vers le rouge sont à nouveau retraités par des masses en gravitons cohérents à haute énergie, formant à nouveau localement des structures d’espace-temps stables. 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.

Avec la gravité optique, nous pouvons 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 en relativité générale est suffisante pour apprendre aux masses « comment se déplacer ». Mais comment la courbure de l’espace-temps induite par deux atomes d’hydrogène à des années-lumière peut-elle être si précise qu’elle donne la force gravitationnelle correcte entre eux ? C’est vraiment étonnant d’imaginer que c’est possible. Dans le même temps, les modèles de gravité quantique ont muté en tant de formes, dégénérant toutes 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 qu’elle perd donne naissance à des gravitons désordonnés désormais déphasés avec l’espace-temps. Ces gravitons rencontrent ensuite d’autres régions de courbure de l’espace-temps autour des masses et sont réintégrés par ces masses dans de nouvelles structures d’espace-temps qui se chevauchent de manière cohérente. La perte de courbure entraîne un gain de courbure – le tout médié par les gravitons.

La gravité optique va cependant au-delà de la gravité. L’énergie du graviton perdue en raison de la réfraction dans les grands corps, comme les étoiles et les planètes, donne également naissance à ce que j’appelle la force de Hubble. Même si la constante de Hubble est minuscule, l’énergie libérée par les gravitons échangés dans 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 les grandes luminosités 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, “La gravité optique dans un espace-temps de graviton”, Edwards a publié un essai en ligne qui peut être trouvé ici.

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