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Why Einstein must be wrong: In search of the theory of gravity,

aPourquoi Einstein doit se tromper : à la recherche de la théorie de la gravité

de Valerio Faraoni et Andrea Giusti, The Conversation

À mesure que de nouveaux et puissants télescopes collectent de nouvelles données sur l’univers, ils révèlent les limites des théories plus anciennes. Crédit : Shutterstock

La théorie de la gravité d'Einstein, la relativité générale, connaît un grand succès depuis plus d'un siècle. Elle présente cependant des lacunes théoriques. Cela n’est pas surprenant : la théorie prédit son propre échec dans le cas des singularités spatio-temporelles à l’intérieur des trous noirs – et du Big Bang lui-même.

Contrairement aux théories physiques décrivant les trois autres forces fondamentales de la physique – les interactions électromagnétiques et les interactions nucléaires fortes et faibles – la théorie de la relativité générale n’a été testée qu’en gravité faible.

Les écarts de gravité par rapport à la relativité générale ne sont en aucun cas exclus ni testés partout dans l'univers. Et, selon les physiciens théoriciens, une déviation doit se produire.

Déviations et mécanique quantique

Selon une théorie initialement proposée par Georges Lemaître et largement acceptée par la communauté astronomique, notre univers serait né d'un Big Bang. D’autres singularités se cachent à l’intérieur des trous noirs : l’espace et le temps n’y ont plus de sens, tandis que des quantités telles que la densité énergétique et la pression deviennent infinies. Cela indique que la théorie d'Einstein échoue sur ce point et doit être remplacée par une théorie plus fondamentale.

Naïvement, les singularités spatio-temporelles devraient être résolues par la mécanique quantique, qui s’applique à de très petites échelles.

La physique quantique repose sur deux idées simples : les particules ponctuelles n’ont aucun sens ; et le principe d'incertitude de Heisenberg, selon lequel on ne peut jamais connaître la valeur de certaines paires de quantités avec une précision absolue, par exemple la position et la vitesse d'une particule. En effet, les particules ne doivent pas être considérées comme des points mais comme des ondes ; à petite échelle, ils se comportent comme des vagues de matière.

Cela suffit pour comprendre qu’une théorie qui englobe à la fois la relativité générale et la physique quantique devrait être exempte de telles pathologies. Cependant, toutes les tentatives visant à mélanger relativité générale et physique quantique introduisent nécessairement des écarts par rapport à la théorie d'Einstein.

Par conséquent, la gravité d’Einstein ne peut pas être la théorie ultime de la gravité. En effet, peu de temps après l’introduction de la relativité générale par Einstein en 1915, Arthur Eddington, surtout connu pour avoir vérifié cette théorie lors de l’éclipse solaire de 1919, a commencé à chercher des alternatives, juste pour voir en quoi les choses pourraient être différentes.

La théorie d'Einstein a survécu à tous les tests jusqu'à présent, prédisant avec précision divers résultats allant de la précession de l'orbite de Mercure à l'existence d'ondes gravitationnelles. Alors, où se cachent ces écarts par rapport à la relativité générale ?

Un siècle de recherche nous a donné le modèle standard de cosmologie connu sous le nom de modèle Λ-Cold Dark Matter (ΛCDM). Ici, Λ représente soit la célèbre constante cosmologique d'Einstein, soit une mystérieuse énergie sombre ayant des propriétés similaires.

L'énergie sombre a été introduite ponctuellement par les astronomes pour expliquer l'accélération de l'expansion cosmique. Bien qu’il ait extrêmement bien ajusté les données cosmologiques jusqu’à récemment, le modèle ΛCDM est spectaculairement incomplet et insatisfaisant du point de vue théorique.

Au cours des cinq dernières années, il a également été confronté à de graves tensions d’observation. La constante de Hubble, qui détermine l'âge et l'échelle de distance dans l'univers, peut être mesurée dans l'univers primitif en utilisant le fond diffus cosmologique et dans l'univers tardif en utilisant les supernovae comme bougies standards.

Ces deux mesures donnent des résultats incompatibles. Plus important encore, la nature des principaux ingrédients du modèle ΛCDM – l’énergie noire, la matière noire et le champ à l’origine de l’inflation primitive de l’univers (une très brève période d’expansion extrêmement rapide à l’origine des germes des galaxies et des amas de galaxies) – reste un mystère.

Du point de vue observationnel, la motivation la plus convaincante en faveur de la gravité modifiée est l’accélération de l’univers découverte en 1998 avec les supernovae de type Ia, dont la luminosité est atténuée par cette accélération. Le modèle ΛCDM basé sur la relativité générale postule une énergie sombre extrêmement exotique avec une pression négative imprégnant l'univers.

Le problème est que cette énergie sombre n’a aucune justification physique. Sa nature est totalement inconnue, même si de nombreux modèles ont été proposés. L’alternative proposée à l’énergie noire est une constante cosmologique Λ qui, selon des calculs de mécanique quantique (mais discutables), devrait être énorme.

Cependant, Λ doit plutôt être incroyablement ajusté à une valeur infime pour correspondre aux observations cosmologiques. Si l’énergie noire existe, notre ignorance de sa nature est profondément troublante.

Alternatives à la théorie d'Einstein

Se pourrait-il que les problèmes proviennent plutôt d’une tentative erronée d’adapter les observations cosmologiques à la relativité générale, comme en enfilant une personne dans un pantalon trop petit ? Que nous observons les premiers écarts de la relativité générale alors que la mystérieuse énergie noire n’existe tout simplement pas ?

Les supernovae de type Ia ont été découvertes en 1998 et ont révélé davantage de détails sur le taux d'accélération de l'univers. Crédit : Sloan Digital Sky Survey/NASA

Cette idée, proposée pour la première fois par des chercheurs de l’Université de Naples, a gagné en popularité alors que le camp de l’énergie noire reste vigoureux.

Comment pouvons-nous le savoir ? Les écarts par rapport à la gravité d'Einstein sont limités par les expériences sur le système solaire, les observations récentes d'ondes gravitationnelles et les images de trous noirs à l'horizon proche.

Il existe désormais une abondante littérature sur les théories de la gravité alternatives à la relativité générale, remontant aux premières recherches d'Eddington en 1923. Une classe d’alternatives très populaire est ce que l’on appelle la gravité scalaire-tensorielle. Il est conceptuellement très simple puisqu'il n'introduit qu'un seul ingrédient supplémentaire (un champ scalaire correspondant à la particule la plus simple et sans spin) à la description géométrique de la gravité d'Einstein.

Les conséquences de ce programme sont cependant loin d’être négligeables. Un phénomène frappant est « l'effet caméléon », consistant dans le fait que ces théories peuvent se déguiser en relativité générale dans des environnements à haute densité (comme dans les étoiles ou dans le système solaire) tout en s'en écartant fortement dans un environnement à faible densité. de la cosmologie.

En conséquence, le champ supplémentaire (gravitationnel) est effectivement absent dans le premier type de systèmes, se déguisant en caméléon, et n'est ressenti qu'aux plus grandes échelles (cosmologiques).

La situation présente

Aujourd’hui, le spectre des alternatives à la gravité d’Einstein s’est considérablement élargi. Même l’ajout d’une seule excitation scalaire massive (à savoir une particule de spin nul) à la gravité d’Einstein – et le maintien des équations résultantes « simples » pour éviter certaines instabilités fatales connues – a abouti à une classe beaucoup plus large de théories de Horndeski et à des généralisations ultérieures.

Les théoriciens ont passé la dernière décennie à extraire les conséquences physiques de ces théories. Les récentes détections d'ondes gravitationnelles ont fourni un moyen de contraindre la classe physique de modifications de la gravité d'Einstein autorisées.

Cependant, il reste encore beaucoup à faire, dans l'espoir que les progrès futurs de l'astronomie multi-messagers permettront de découvrir des modifications de la relativité générale là où la gravité est extrêmement forte.

Fourni par La conversation

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COMMENTAIRES

Cet article long neéccssite néanmois des additifs  et pour commencer cs rappels .

1/Qui a prouvé l’existence de la gravité ?

Isaac Newton : parce qui il s était demandé pourquoi la pomme tombait directement vers le bas, plutôt que latéralement ou même vers le haut.2Il

a formulé la théorie gravitationnelle en 1665 ou 1666 

2/Comme Einstein ne croyait pas à l'existence des trous noirs, il ne pouvait tout simplement pas concevoir un système qui pourrait se comporter de telle manière  ;donc que l'on puisse voirdess ondes gravitationnelles.

3/L article est une déclaration   en faveur de la théorie  nouvelle  des chercheurs e l universie de  NAPLES 

4/J ignore si l adjonction d un  champ scalaire  de gravité  supprime l energie noire  et  les misfits entre la  relativité générale et la mécanique quantique  .Il me faudrait un descriptif  détaillé  de leurs resultats  ...Un champ scalaire  me semble possible   si  le volume  de l espace cosmique  primitif pred localement des valeurs  aléatoires  pour son contenu énergétique 

5/Einstein croyait -t- il  aux ondes gravitationnelles ?

Bien qu'Einstein ait prédit l'existence des ondes gravitationnelles en 1916, la première preuve de leur existence n'est arrivée qu'en 1974, soit 20 ans après sa mort.

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Provided by The Conversation 

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