On ne peut nier l’énorme pouvoir prédictif de la théorie de la gravitation et de la relativité générale d’Albert Einstein de 1915, cependant, la théorie souffre encore d’incohérences lorsqu’il s’agit de calculer son effet sur de grandes distances. De nouvelles recherches suggèrent que ces divergences pourraient être le résultat d’un « déséquilibre cosmique » dans la gravité elle-même.
Au cours des 109 années qui ont suivi sa première formulation, la relativité générale est restée la meilleure description de la gravité à l’échelle galactique ; Les expériences ont confirmé à plusieurs reprises son exactitude. Cette théorie a également été utilisée pour prédire des aspects de l’univers qui seraient ensuite confirmés par l’observation. Ceux-ci incluent le Big Bang, l’existence de trous noirs, la lentille gravitationnelle de la lumière et de minuscules ondulations dans l’espace-temps appelées ondes gravitationnelles.
Cependant, comme la théorie de la gravité newtonienne qui l’a surpassée, la relativité générale ne nous donne peut-être pas une image complète de cette force mystérieuse.
« Ce modèle de gravité a été essentiel pour tout, depuis la théorie du Big Bang jusqu’à l’imagerie des trous noirs », a déclaré Robin Wen du département de physique mathématique de l’Université de Waterloo dans un communiqué. « Mais lorsque nous essayons de comprendre la gravité au niveau cosmique, au niveau des amas de galaxies et au-delà, nous rencontrons des contradictions évidentes avec les prédictions de la relativité générale. »
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« La gravité s’affaiblit d’environ 1% lorsqu’on traite des distances de plusieurs milliards d’années-lumière », a déclaré Wen. « Nous appelons cette divergence un « problème cosmique ». C’est comme si la gravité elle-même ne correspondait plus complètement à la théorie d’Einstein. »
La perturbation cosmique décrite par l’équipe nécessiterait une modification d’une valeur appelée constante gravitationnelle. Ce changement se produira à mesure que les calculs se rapprocheront de « l’hyperhorizon », ou de la distance la plus longue que la lumière ait pu parcourir depuis la création de l’univers.
L’équipe affirme que cette modification peut être apportée en ajoutant une extension au modèle cosmologique standard. Ce modèle est connu sous le nom de modèle lambda de la matière noire froide. Une fois terminée, la modification devrait éliminer les écarts dans les mesures aux niveaux cosmologiques sans affecter les utilisations actuelles réussies de la relativité générale.
Qu’est-ce que la relativité générale et peut-elle être fausse ?
La découverte de la relativité générale a été si révolutionnaire, car au lieu de décrire la gravité comme une force mystérieuse, il a postulé que la gravité découle de la courbure du tissu de l’espace et du temps, unis en une seule entité appelée « espace-temps ». Einstein s’est rendu compte que cette courbure est formée par des objets ayant une masse.
Imaginez placer des balles de masse croissante sur une feuille de caoutchouc étirée. Une balle de tennis ferait une petite entaille presque imperceptible ; Une balle de cricket créerait une entaille plus visible ; La boule de bowling induirait une énorme courbe qui attirerait probablement tout le reste de la feuille vers elle. C’est le même concept avec les objets dans l’espace, bien que la courbure de l’espace-temps existe en quatre dimensions, il existe donc quelques différences clés. Cependant, les lunes ont moins de masse que les planètes, les planètes ont moins de masse que les étoiles et les étoiles ont moins de masse que les galaxies, donc les effets gravitationnels de ces corps célestes augmentent respectivement.
La théorie de la gravitation d’Einstein a succédé à celle de Newton, même si cette dernière fonctionne toujours bien à l’échelle terrestre et est suffisamment précise pour envoyer des fusées vers la Lune. Cependant, la théorie d’Einstein pourrait expliquer des choses que la théorie de Newton ne pouvait pas expliquer, comme l’étrange orbite de Mercure autour du Soleil.
Ce n’était pas exactement Newton erreur Concernant la gravité, il n’avait pas raison sur les échelles des planètes, des étoiles et des galaxies.
Mais la relativité générale est-elle fausse ?
Eh bien, peut-être pas. En tant que théorie, elle était très précise pour prédire des aspects de l’univers dont nous ignorions tout. Par exemple, la première image d’un trou noir prise par le télescope Event Horizon a été révélée au public en avril 2019. Cette image était quelque peu choquante en raison de la similitude de l’apparence du trou noir supermassif M87* avec les prédictions de la relativité générale.
Cependant, les scientifiques se rendent compte que la relativité générale présente certains problèmes qui pourraient éventuellement nécessiter une révision. Par exemple, la théorie ne se combine pas avec la mécanique quantique ; Notre meilleure description de la physique se situe à des niveaux fondamentaux plus petits que l’atome. Cela est principalement dû au fait qu’il n’existe actuellement aucune théorie quantique pour décrire la gravité.
Ainsi, des modifications de la relativité générale à un moment donné afin d’« étendre » sa portée aux plus petites échelles de l’univers – et selon cette équipe, aux plus grandes échelles – semblent inévitables.
Pendant des décennies, les chercheurs ont tenté de créer un modèle mathématique qui aiderait la relativité générale à surmonter ses contradictions, et les mathématiciens appliqués et les astrophysiciens de l’Université de Waterloo ont été profondément impliqués dans cette entreprise.
Changer la relativité générale ? Quoi!
Si l’idée de réviser la relativité générale ressemble à une hérésie, sachez que ce ne serait pas la première fois que les théories qui y sont associées doivent être modifiées.
Peu de temps après qu’Einstein ait présenté la théorie pour la première fois, lui et d’autres l’ont élargie pour développer une équation décrivant l’état de l’univers. Grâce à la relativité générale, cette équation prédisait que l’univers devrait changer. Le problème était le consensus scientifique de l’époque selon lequel l’univers était statique. Même si Einstein n’était pas étranger à la transformation du statu quo en un état de changement constant, il se trouvait être d’accord avec cette image cosmique immuable.
Pour garantir la prédiction par la relativité générale d’un univers statique, Einstein a ajouté un « facteur de correction » qu’il a décrit plus tard comme « sa plus grande erreur » : c’est ce qu’on appelle la constante cosmologique, représentée par la lettre grecque lambda. Cette constante disparaîtrait de la pensée lorsqu’Edwin Hubble convaincrait Einstein que l’univers n’était pas statique. Il a dit que cela était en expansion. Pour autant que nous le sachions aujourd’hui, Hubble avait raison.
Cependant, le lambda reviendra effectivement. Il commencera à remplir une fonction différente à la fin du 20e siècle, lorsque les astronomes découvriront que l’univers non seulement est en expansion, mais qu’il le fait à un rythme accéléré.
« Il y a près d’un siècle, les astronomes ont découvert que notre univers était en expansion », a déclaré Niayesh Afsharid, professeur d’astrophysique à l’Université de Waterloo et chercheur à l’Ocean Institute, dans le communiqué. « Plus les galaxies sont éloignées, plus elles se déplacent rapidement, au point où elles semblent se déplacer à une vitesse proche de celle de la lumière, la vitesse maximale autorisée par la théorie d’Einstein. Nos résultats suggèrent qu’à ces mêmes échelles, la théorie d’Einstein pourrait également être appliquée. ne suffira pas. »
La proposition de l’équipe de l’Université de Waterloo d’un « problème cosmique » modulant la gravité sur de grandes distances étend les formules mathématiques d’Einstein pour résoudre ce problème sans « renverser » la théorie.
« Considérez-le comme une note de bas de page de la théorie d’Einstein », a déclaré Wen. « Une fois que vous atteignez le Royaume Cosmique, les termes et conditions s’appliquent. »
Les chercheurs à l’origine de cette théorie du problème cosmique suggèrent que les observations futures de la structure à grande échelle de l’univers et d’un champ de rayonnement « fossile » global appelé fond diffus cosmologique (CMB) provenant d’un événement survenu peu après le Big Bang pourraient éclairer sur la question de savoir si les problèmes cosmiques dans Gravity sont responsables des « tensions cosmiques » actuelles.
Cela pourrait inclure la raison pour laquelle la théorie quantique donne la valeur de lambda qui est un facteur étonnant de 10¹²¹ (10 suivi de 120 zéros), ce qui est plus grand que ce que montrent les observations astronomiques (pas étonnant que certains physiciens l’appellent « la pire prédiction théorique de l’histoire de l’univers). »). La physique! »).
« Ce nouveau modèle n’est peut-être que la première preuve du puzzle cosmique que nous commençons à résoudre à travers l’espace et le temps », a conclu Afshordi.
Les recherches de l’équipe apparaissent dans Journal de cosmologie et de physique des astroparticules.