Des physiciens proposent la théorie de l'arc-en-ciel de l'espace-temps

Quand une lumière blanche passe à travers un prisme, l’arc-en-ciel de l’autre côté, révèle une palette riche de couleurs. Les théoriciens de l’université de Warsaw ont montré que dans les modèles de l’univers, en utilisant n’importe quelle théorie quantique sur la gravitation, il doit y avoir une sorte d’arc-en-ciel qui se compose de différentes versions de l’espace-temps. Le mécanisme prédit qu’au lieu d’un seul espace-temps, les particules de différentes énergies sentent différents types d’espace-temps.

Quand une lumière blanche passe via un prisme, il se divise pour former un arc-en-ciel. C’est parce que la lumière blanche est un mélange de photons de différentes énergies. Et l’intensité de l’énergie du photon va provoquer une déviation plus grande par le prisme. Donc, on peut dire que l’arc-en-ciel se produit parce que les photons de différentes énergies détectent le même prisme, mais avec des propriétés différentes. Depuis des années, on suggère que les particules de différentes énergies dans les modèles de l’univers quantique détectent des espaces-temps avec des structures différentes. Les premières hypothèses ne proviennent pas de la mécanique quantique, mais uniquement sur des intuitions. Actuellement, une équipe menée par le professeur Jerzy Lewandowski, a formulé un mécanisme général qui pourrait créer cet arc-en-ciel de l’espace-temps.

Il y a 2 ans, nous rapportions que dans nos modèles cosmologiques quantiques, différents types de particules voient des espaces-temps avec des propriétés légèrement différentes. Et il semble aujourd’hui que la situation soit encore plus compliquée. Nous avons découvert un vrai mécanisme générique, où la structure de l’espace-temps vue par une particule ne dépend pas seulement de son type, mais également de son énergie selon le professeur Jerzy Lewandowski.

Dans leur discussion, cette équipe utilise un modèle cosmologique qui contient seulement 2 composants : la gravité et un type de matière. Sous la théorie de la relativité générale, un champ gravitationnel est décrit par les déformations de l’espace-temps tandis que la matière est représentée par un champ scalaire (le plus simple des champs où chaque point dans l’espace possède une seule valeur).

Aujourd’hui, il y a beaucoup de théories sur la gravitation quantique. De ce fait, nous avons formulé un modèle dans des termes très génériques pour qu’on puisse l’appliquer à toutes les théories. Certains peuvent supposer le champ gravitationnel alias l’espace-temps par une première théorie quantique tandis que d’autres peuvent utiliser une autre théorie. Certains opérateurs mathématiques peuvent changer, mais cela ne changera pas la nature du phénomène (l’arc-en-ciel) selon Andrea Dapor, doctorant et faisant partie de l’équipe.

Le modèle a été ensuite quantifié. Cela signifie des valeurs continues, qui peuvent varier avec de petites quantités arbitraires, qu’on peut convertir en des valeurs discrètes. Ces dernières peuvent seulement varier par des intervalles spécifiques (quantas). La recherche sur les dynamiques du modèle quantifié a révélé un résultat étonnant : Les processus modelés, en utilisant la théorie quantique sur l’espace-temps quantique, ont montré les mêmes dynamiques de la théorie quantique dans un espace-temps classique continu. Ce dernier peut être comparé à notre vrai espace-temps. En termes clairs, les résultats sont similaires dans un espace-temps quantique que dans un espace-temps réel comme le nôtre.

Le résultat est simplement stupéfiant. On a commencé avec un univers flou de la géométrie quantique où il est difficile de définir le temps et l’espace. Et le phénomène, qui se produisait dans notre modèle cosmologique abstrait, se comporte de la même façon dans notre espace-temps standard selon Mehdi Assanioussi, doctorant et membre de l’équipe. Les choses sont devenues encore plus intéressantes lorsque les physiciens ont regardé les excitations dans le champ scalaire qui est interprété comme des particules. Les calculs ont montré que dans ce modèle, les particules qui varient, en termes d’énergie et en interagissant avec l’espace-temps quantique, sont similaires à des photons qui interagissent avec un prisme différent. Cela signifie que même la structure de l’espace-temps classique, d’un point de vue des particules individuelles, dépend de l’énergie de ces particules.

L’occurrence d’un arc-en-ciel normal peut être décrite comme un index de réfraction. Ce dernier est la variation dépendant des longueurs d’onde de la lumière. Et dans le cas d’un arc-en-ciel d’espace-temps, on propose une relation similaire avec la fonction bêta (fonction bêta = index de réfraction). Cette fonction bêta mesure la variation de l’espace-temps lorsqu’elle est détectée par les différentes particules. Dans des conditions similaires à l’espace-temps classique, sa valeur est proche de 0 et dans des conditions vraiment quantiques, sa valeur est de 1. Aujourd’hui, notre univers doit avoir une valeur proche de zéro et une moyenne proposée par un autre groupe de physiciens estime que cela ne doit pas dépasser une valeur de 0,01. Cette valeur infime de la fonction bêta implique qu’actuellement, l’arc-en-ciel de l’espace-temps est très étroit et qu’on ne peut pas le détecter par une observation expérimentale.

Cette étude propose aussi une conclusion intéressante. L’arc-en-ciel de l’espace-temps est le résultat de la gravitation quantique. Les physiciens estiment qu’on peut voir uniquement cet effet lorsqu’on utilise des quantités phénoménales d’énergies proches de celle de Planck. Cela signifie que c’est des millions de fois supérieure à l’énergie qu’on accélère dans le Grand collisionneur de Hadrons. Cependant, la fonction bêta dépend du temps et dans les moments proches du Big Bang, cette fonction aurait pu être plus grande. Quand la fonction bêta est proche de 1, alors l’arc-en-ciel de l’espace-temps s’étend considérablement. En conséquence, on pourrait observer l’effet de l’arc-en-ciel de la gravitation quantique sous ce type de conditions. Et c’est valable même à des niveaux d’énergies qui sont inférieurs à ceux qu’on utilise dans les protons dans le LHC.

Source : Physical Letters B

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