Cosmologie: une solution à la pire prédiction en physique
Publié par Redbran le 30/08/2019 à 14:00
Source: Université de Genève
Un physicien de l'UNIGE propose une nouvelle approche visant à résoudre l'un des plus grands problèmes théoriques de la physique, celui de la constante cosmologique.


©NASA/WMAP

La constante cosmologique, introduite il y a un siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui signifiait race, génération. Il a ensuite indiqué la durée d'une génération humaine et faisait...) par Albert Einstein (Albert Einstein (né le 14 mars 1879 à Ulm, Wurtemberg, et mort le 18 avril 1955 à Princeton, New Jersey) est un physicien qui fut successivement allemand,...) dans sa théorie de la relativité (Cet article traite de la théorie de la relativité à travers les âges. En physique, la notion de relativité date de Galilée. Les travaux d'Einstein en ont fait un important champ d'étude, tant théorique qu'expérimental.) générale, est le poil (Le poil est une production filiforme de l'épiderme, couvrant partiellement ou intégralement la peau des mammifères. Lorsque la couverture de la peau est...) à gratter des physiciens. L'écart entre la prédiction théorique de ce paramètre (Un paramètre est au sens large un élément d'information à prendre en compte pour prendre une décision ou pour effectuer un calcul.) et sa mesure basée sur des observations astronomiques est de l'ordre de 10^121. Sans surprise, cette estimation est considérée comme la pire de toute l'histoire de la physique (L'histoire de la physique essaie de retracer l'origine et l'évolution des idées, des méthodes, des hommes et des connaissances des sciences physiques.). Dans un article à paraître dans la revue Physics Letters B, un chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les...) de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis,...) de Genève (UNIGE) propose une approche qui semble être en mesure de résoudre cette incohérence. L'idée originale du papier (Le papier (du latin papyrus) est une matière fabriquée à partir de fibres cellulosiques végétales et animales. Il se présente sous forme de feuilles minces et est...) consiste à accepter qu'une autre constante, celle de la gravitation (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) universelle G de Newton qui intervient aussi dans les équations de la relativité générale (La relativité générale, fondée sur le principe de covariance générale qui étend le principe de relativité aux référentiels non-inertiels, est une théorie...), puisse varier. Cette avancée potentiellement majeure, reçue positivement par la communauté scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.), doit toutefois encore être poursuivie afin de produire des prédictions susceptibles d'être confirmées - ou infirmées - expérimentalement.

"Mon travail consiste en une manipulation mathématique inédite des équations de la relativité générale qui permet - enfin - d'accorder la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur...) et l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et...) au sujet de la constante cosmologique (La constante cosmologique est un paramètre rajouté par Einstein en février 1917 à ses équations de la relativité générale (1915), dans le but de rendre sa théorie compatible avec l'idée qu'il avait alors d'un Univers...)," estime Lucas Lombriser, professeur assistant au Département de physique théorique (La physique théorique est la branche de la physique qui étudie l’aspect théorique des lois physiques et en développe le formalisme mathématique.) de la Faculté des sciences de l'UNIGE et unique auteur de l'article.

Une expansion en pleine accélération

La constante cosmologique Λ (lambda) a été introduite dans les équations de la relativité générale par Albert Einstein il y a plus d'un siècle. Le célèbre physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la science analysant les constituants fondamentaux de l'univers et les forces qui les...) en avait besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est souvent fait un classement des besoins humains en trois grandes...) pour que sa théorie soit compatible avec un Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) qu'il imaginait statique (Le mot statique peut désigner ou qualifier ce qui est relatif à l'absence de mouvement. Il peut être employé comme :). En 1929, le physicien Edwin Hubble (Le télescope spatial Hubble (en anglais, Hubble Space Telescope ou HST) est un télescope en orbite à environ 600 kilomètres d'altitude, il effectue un tour complet de la Terre toutes les 100 minutes....) découvre toutefois que les galaxies (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec ce titre elle a connu deux existences, prenant par ailleurs...) s'éloignent toutes les unes des autres, signe que l'Univers et en réalité en expansion. En apprenant cela, Albert Einstein regrette d'avoir introduit la constante cosmologique, devenue inutile à ses yeux, et la qualifie même de "plus grande bêtise de sa vie (La vie est le nom donné :)".

En 1998, l'analyse précise des supernovæ lointaines offre la preuve que l'expansion de l'Univers, loin d'être constante, subit même une accélération, comme si une force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les articles...) mystérieuse faisait gonfler le cosmos de plus en plus rapidement. La constante cosmologique est alors de nouveau appelée à la rescousse afin de décrire ce que les physiciens appellent l'"énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) du vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.)". Une énergie dont la nature est inconnue (on parle d'énergie sombre (En cosmologie, l'énergie sombre est une forme d'énergie hypothétique remplissant tout l'Univers et exerçant une pression négative se comportant comme une force gravitationnelle répulsive. L'énergie sombre pourrait expliquer...), de quintessence, etc), mais qui est responsable de l'expansion accélérée de l'Univers.

Les observations les plus précises des supernovæ et surtout du fond diffus cosmologique (Le fond diffus cosmologique est un rayonnement électromagnétique provenant de l'Univers, et qui frappe la Terre de façon quasi uniforme dans toutes les directions.) (un rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) micro-onde (Les micro-ondes sont des ondes électromagnétiques de longueur d'onde intermédiaire entre l'infrarouge et les ondes de radiodiffusion. Le terme de micro-onde provient du...) qui provient de tous les points du ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.) et qui est considéré comme la relique du Big Bang) ont permis de mesurer une valeur expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes dominants tant sur le plan formel, esthétique, que sur le plan culturel et politique. En science, il s'agit d'approches de recherche basées sur...) de cette constante cosmologique. Le résultat est un chiffre (Un chiffre est un symbole utilisé pour représenter les nombres.) très petit (1,11 × 10^−52 m^−2) mais suffisant pour générer l'effet désiré d'une expansion accélérée.

Grand écart entre la théorie et l'observation

Le problème, c'est que la valeur théorique de la constante cosmologique est très différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de dualité d'une application définie à l'aide de la trace, dans...). Cette valeur est obtenue grâce à la théorie quantique des champs (La théorie quantique des champs est l'application des concepts de la physique quantique aux champs. Issue de la mécanique quantique relativiste, dont l'interprétation comme...) selon laquelle, à toute petite échelle, en tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) point (Graphie) de l'espace et à tout moment, des couples de particules se créent et s'annihiler quasi-instantanément. L'énergie de cette "fluctuation du vide" - un phénomène bien réel - est interprétée comme une contribution à la constante cosmologique. Mais lorsqu'on calcule sa valeur, on obtient un chiffre énorme (3,83 × 10^+69 m^−2), largement incompatible avec la valeur expérimentale. Cette estimation représente le plus grand écart jamais obtenu (d'un facteur 10^121, c'est-à-dire un "1" suivi de 121 "0") entre la théorie et l'expérience dans l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout », comme...) de la science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que l'on tient pour vrai au sens large. L'ensemble de connaissances,...).

Ce problème de la constante cosmologique est l'un des sujets les plus "chaud" de la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens...) théorique actuelle et il mobilise de nombreux chercheurs à travers le monde (Le mot monde peut désigner :). Tous tournent et retournent les équations de la relativité générale dans tous les sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution...), cherchant à trouver des idées susceptibles de le résoudre. Plusieurs stratégies sont proposées, mais pour l'instant (L'instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L'instant n'est pas intervalle de temps. Il ne peut donc être considéré comme une durée.) aucune ne remporte l'unanimité.

Lucas Lombriser, de son côté, a eu il y a quelques années l'idée originale d'introduire une variation dans la constante universelle de gravitation G (celle de Newton) qui apparaît dans les équations d'Einstein. Cela signifie que l'Univers dans lequel nous vivons (avec un G valant 6,674 08 × 10^−11 m3/kg s2) devient un cas particulier parmi un nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) infini (Le mot « infini » (-e, -s ; du latin finitus, « limité »), est un adjectif servant à qualifier quelque chose qui n'a pas de limite en nombre ou en taille.) de possibilités théoriques différentes.

L'approche mathématique de Lucas Lombriser permet, après nombre développements et hypothèses, de calculer le paramètre ΩΛ (oméga lambda) qui est une autre manière d'exprimer la constante cosmologique mais qui est nettement plus facile à manier. Ce paramètre désigne aussi la fraction actuelle de l'Univers qui est composée d'énergie sombre (le reste étant composé de matière). La valeur théorique obtenue par le physicien genevois est de 0,704, ou 70,4%. Ce chiffre est en bon accord avec la meilleure estimation expérimentale obtenue à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil...): 0,685, ou 68,5%, ce qui est une énorme amélioration par rapport à l'écart de 10^121.

Ce premier succès doit désormais être suivi d'autres analyses afin de vérifier si ce nouveau cadre de travail proposé par Lucas Lombriser permet de réinterpréter ou de clarifier d'autres mystères de la cosmologie (La cosmologie est la branche de l'astrophysique qui étudie l'Univers en tant que système physique.). Le physicien a déjà été invité à présenter et expliquer son approche dans des congrès scientifiques, ce qui témoigne de l'intérêt de la communauté.
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