Et si le chaos de l’univers était en réalité à l’origine de la gravité ?

Quand l’entropie dicte sa loi

L’entropie. Rien que ce mot suffit parfois à donner des insomnies aux physiciens, ou à quiconque s’intéresse un peu à la fin des temps. Fondamentalement, cela signifie que la matière et l’énergie vont inévitablement se dégrader, menant, si l’on laisse faire les choses, au chaos total dans l’univers. C’est joyeux, n’est-ce pas ? Alors, pourquoi une nouvelle théorie suggère-t-elle que la gravité — cette force qui nous garde les pieds sur terre — pourrait émerger de cette même entropie ?

Oui, vous avez bien lu : l’entropie relative quantique pourrait déterminer l’action de la gravité. C’est du moins ce que propose Ginestra Bianconi, physicienne et mathématicienne à l’université Queen Mary de Londres. Si cela s’avère vrai, cela impliquerait que tout dans l’univers s’effondrerait si tout restait inchangé. Mais il y a un petit hic… ou plutôt un gros obstacle.

Pour que cette idée tienne la route, il faut réussir l’impossible : harmoniser deux théories qui, historiquement, se regardent en chiens de faïence depuis toujours. Une réconciliation que l’on attendait plus.

Le grand écart : Einstein face au monde quantique

L’idée de l’entropie relative quantique tente de mélanger deux concepts qui s’affrontent violemment : la relativité générale et la théorie quantique. D’un côté, nous avons la vision d’Einstein. Sa théorie de la relativité générale perçoit la gravité comme une courbure, une déformation de l’espace-temps causée par un objet. Plus l’objet est massif, plus l’effet sur l’espace-temps environnant est grand.

Prenons un exemple concret pour visualiser la chose : le Soleil. Il est environ 330 000 fois plus massif que la Terre. En conséquence, notre petite planète orbite à l’intérieur de cette énorme distorsion de l’espace-temps provoquée par la présence massive du Soleil. C’est un peu comme une pièce de monnaie qui roule indéfiniment autour d’un de ces entonnoirs géants pour dons caritatifs.

De l’autre côté du ring, nous avons la théorie quantique. Elle voit l’univers comme étant constitué d’objets extrêmement petits — pensez aux particules subatomiques — qui agissent à la fois comme des particules et comme des ondes. Les particules sont de minuscules morceaux de matière, tandis que les ondes sont des perturbations qui transfèrent de l’énergie. Selon la mécanique quantique, l’univers se décrit à des échelles micro et nano. La relativité, c’est tout l’inverse : elle décrit la matière à des échelles cosmiques. Trouver un moyen de connecter ces deux mondes a été, disons-le franchement, un mal de tête persistant pour les scientifiques.

Une nouvelle approche mathématique de l’espace-temps

C’est ici qu’intervient la théorie de Bianconi. Elle avance que l’espace-temps est en réalité un opérateur quantique, ce qui signifie qu’il agit sur les états quantiques pour les transformer en différents types d’états. L’entropie quantique quantifie — sans mauvais jeu de mots — le degré de désordre ou d’imprévisibilité dans l’état de quelque chose, ce qui aide à distinguer deux états quantiques entre eux. Dans ses travaux, publiés récemment dans la revue Physical Review D, Bianconi a découvert qu’elle pouvait utiliser cela pour décrire comment l’espace-temps et la matière interagissent.

« La gravité dérive d’une action entropique couplant les champs de matière avec la géométrie de l’espace-temps », explique-t-elle. En permettant à l’entropie quantique de décrire les différences entre la matière et l’espace-temps, sa théorie modifie la relativité générale. Comment ? D’abord en attribuant au tissu de l’espace-temps une faible énergie et une petite courbure, puis en prédisant une petite constante cosmologique (ce paramètre qui explique à quelle vitesse l’univers s’étend).

Mais ce n’est pas tout. Cette nouvelle théorie intègre également un « champ G », ou champ gravitationnel. Les champs G sont des champs vectoriels — ils ont donc à la fois une magnitude et une direction — qui expliquent comment l’espace est influencé par un objet. Bianconi utilise ce champ G comme ce qu’on appelle un multiplicateur de Lagrange, un outil mathématique qui permet de trouver le maximum et le minimum d’une fonction. Sachant que les ondes sont décrites par une fonction d’onde, trouver le maximum et le minimum de cette fonction avec un champ G pourrait enfin réconcilier la théorie quantique avec la relativité générale.

Matière noire et gravité quantique : le chaînon manquant ?

Si ce conflit entre les théories est finalement résolu, nous aboutirions à la fameuse gravité quantique, qui existerait sous forme de particule et d’onde. Cependant, imaginer la gravité sous forme de particules soulève une autre question assez vertigineuse. La matière noire est constituée de particules, c’est un fait admis, mais la nature exacte de ces particules reste une énigme totale puisqu’elles n’ont jamais été observées directement. C’est là que Bianconi va plus loin.

Elle pense que si la gravité peut exister sous forme de particules, le champ G pourrait offrir une explication à la matière noire. « Ce travail propose que la gravité quantique a une origine entropique et suggère que le champ G pourrait être un candidat pour la matière noire », a-t-elle déclaré dans un communiqué de presse. C’est une perspective fascinante, bien que, il faut l’admettre, il reste encore énormément de travail avant que cette idée ne soit ne serait-ce que proche d’être confirmée.

Néanmoins, il existe une chance, aussi infime soit-elle, que le chaos engendre la gravité, qui à son tour pourrait, sous une certaine forme, être cette insaisissable matière noire. De quoi nous retourner le cerveau, n’est-ce pas ?

Selon la source : popularmechanics.com

Ce contenu a été créé avec l’aide de l’IA.