Les scientifiques ont longtemps recherché la particule qui porte la force de la gravité, mais un nouveau modèle théorique jette entièrement cette idée – et montre comment il pourrait être testé dans des expériences
Les particules porteurs de gravité doivent-elles exister pour expliquer comment la gravité surgit?
On pense que toutes les forces fondamentales sont transportées par une particule, mais un nouveau modèle mathématique suggère que la gravité peut être une exception frappante. S'appuyant sur une idée vieille de plusieurs décennies, les chercheurs ont révélé une voie pour comprendre cette possibilité en détail et la tester expérimentalement.
Manthos Karydas au Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) en Californie dit que la gravité se démarque des autres forces fondamentales. L'une des raisons est que notre meilleure théorie actuelle de la gravité, la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein, contient des objets exotiques comme les trous noirs où la gravité se comporte extrêmement différemment de quelque part ailleurs que nous connaissons.
Les trous noirs présentent également des propriétés étranges en ce qui concerne leur thermodynamique, les lois qui régissent leur température, leur énergie et leur entropie. D'autres chercheurs avaient précédemment identifié cette connexion comme un éventuel indice de la vraie nature de Gravity, et l'équipe derrière le nouveau travail a été guidée par la même intuition.
Karydas et ses collègues ont construit un modèle gravitationnel qui reproduit la façon dont nous éprouvons la gravité dans notre monde, mais abandonne les gravitons, les supports de particules supposés de la gravité.
« Les règles sont que vous devez faire du modèle (théorique) capable de reproduire tout ce que vous avez observé jusqu'à présent. Par exemple, vous avez toujours besoin que la terre orbite le soleil de manière stable », explique Daniel Carney, membre de l'équipe, également à LBNL.
Il dit que leur modèle accomplit cela – reproduire la gravité que nous «connaissons et aimons» – en considérant une situation analogue à une paire de pistons massifs avec un gaz entre eux. Ici, les lois de la thermodynamique dictent que les particules de gaz devraient se déplacer pour maximiser leur entropie collective, en supposant une configuration très désordonnée, ce qui fait finalement bouger les pistons. En effet, les pistons sont soumis à ce que l'on appelle une force entropique provenant du gaz.
Les chercheurs ont dérivé des équations pour la gravité comme force entropique, avec deux objets massifs jouant le rôle des pistons et le gaz étant une collection de bits quantiques, ou les plus petits objets qui peuvent transporter des informations quantiques. On pense généralement que deux objets s'attirent gravitationnels en échangeant des gravitons, mais dans ce modèle, l'attraction gravitationnelle émerge de l'espace qui les entoure est rempli d'objets quantiques.
Karydas dit que c'est la première fois que l'idée, qui était initialement proposée en 1995, est développée en suffisamment de détails pour faire des prédictions de scénarios physiques spécifiques, y compris plusieurs expériences de laboratoire qui sont actuellement en cours de construction.
Lui et son équipe ont calculé ce que les chercheurs peuvent mesurer dans ces expériences, ce qui sondera si la gravité peut relier deux objets par enchevêtrement quantique, ainsi que d'autres expériences examinant les fluctuations aléatoires appelées bruit qui devraient survenir en raison de la façon dont la force de gravité est répartie dans l'espace. Ils ont terminé ces calculs pour plusieurs versions différentes de leur modèle afin qu'elle puisse être entièrement exclue ou affinée en fonction de futures résultats expérimentaux.
«Le genre de question dont nous avons été motivés était:« Alors quoi? Qu'est-ce que (le modèle théorique) change dans ce que nous pouvons observer? »», Explique Jacob Taylor, membre de l'équipe à l'Université du Maryland.
Denys Bondar à l'Université de Tulane en Louisiane dit que le lien avec des expériences réalistes est souvent difficile à réaliser pour de nouveaux modèles de gravité, de sorte que le nouveau travail présente un pas en avant significatif dans le débat sur la véritable nature de la gravité. «Au cours de la dernière décennie, nous avons (eu) d'énormes progrès dans non seulement des mesures quantiques, mais aussi des mesures gravitationnelles, donc je suis très optimiste que nous aurons bientôt plus d'entrées des expérimentateurs», dit-il.
Carney dit que lui et ses collègues doivent également travailler sur de nombreux autres tests mathématiques pour leur modèle, comme taquiner comment cela peut reproduire toutes les caractéristiques de la relativité générale.
