Enfin, une théorie unifiée combinant la gravité avec les autres forces fondamentales – électromagnétisme et les forces nucléaires fortes et faibles – est à portée de main. Amener la gravité dans le giron a été le but des générations de physiciens, qui ont eu du mal à concilier l'incompatibilité de deux pierres angulaires de la physique moderne: la théorie du champ quantique et la théorie de la gravité d'Einstein.
Les chercheurs de l'Université d'Aalto ont développé une nouvelle théorie quantique de la gravité qui décrit la gravité d'une manière compatible avec le modèle standard de la physique des particules, ouvrant la porte à une meilleure compréhension de la façon dont l'univers a commencé.
Bien que le monde de la physique théorique puisse sembler éloigné de la technologie applicable, les résultats sont remarquables. La technologie moderne est construite sur de telles avancées fondamentales – par exemple, le GPS de votre smartphone fonctionne grâce à la théorie de la gravité d'Einstein.
Mikko Partanen et Jukka Tulkki décrivent leur nouvelle théorie dans un article publié dans Rapports sur les progrès en physique. L'auteur principal Partanen s'attend à ce que dans quelques années, les conclusions auront une compréhension critique déverrouillée.
« Si cela s'avère conduire à une théorie complète du champ quantique de la gravité, cela finira par donner des réponses aux problèmes très difficiles de compréhension des singularités dans les trous noirs et le Big Bang », dit-il.
« Une théorie qui décrit de manière cohérente toutes les forces fondamentales de la nature est souvent appelée la théorie de tout », explique Partanen, bien qu'il n'aime pas utiliser le terme lui-même. « Certaines questions fondamentales de la physique restent sans réponse. Par exemple, les théories actuelles n'expliquent pas encore pourquoi il y a plus de matière que de l'antimatière dans l'univers observable. »
Réconcilier l'inconciliable
La clé était de trouver un moyen de décrire la gravité dans une théorie de la jauge appropriée – une sorte de théorie dans laquelle les particules interagissent entre elles à travers un champ.
« Le champ de jauge le plus familier est le champ électromagnétique. Lorsque les particules chargées électriquement interagissent les unes avec les autres, elles interagissent à travers le champ électromagnétique, qui est le champ de jauge pertinent », explique Tulkki.
« Donc, lorsque nous avons des particules qui ont de l'énergie, les interactions qu'elles ont simplement parce qu'elles ont de l'énergie se produiraient à travers le champ gravitationnel. »
Un défi aux physiciens de la longue durée est de trouver une théorie de la gravité de la jauge qui est compatible avec les théories de jauge des trois autres forces fondamentales – la force électromagnétique, la faible force nucléaire et la forte force nucléaire. Le modèle standard de la physique des particules est une théorie de la jauge qui décrit ces trois forces, et il a certaines symétries.
« L'idée principale est d'avoir une théorie de la jauge de gravité avec une symétrie similaire à la symétrie du modèle standard, au lieu de baser la théorie sur le type très différent de symétrie spatiale de la relativité générale », explique Partanen, l'auteur principal de l'étude.
Sans une telle théorie, les physiciens ne peuvent pas concilier nos deux théories les plus puissantes, la théorie des champs quantiques et la relativité générale. La théorie quantique décrit le monde des très petites – les particules de terne interagissant de manière probabiliste – tandis que la relativité générale décrit le monde plus gros des objets familiers et leur interaction gravitationnelle.
Ce sont des descriptions de notre univers sous différents angles, et les deux théories ont été confirmées à une précision extraordinaire – mais elles sont incompatibles les unes avec les autres. De plus, parce que les interactions gravitationnelles sont faibles, plus de précision est nécessaire pour étudier de véritables effets de gravité quantique au-delà de la relativité générale, qui est une théorie classique.
« Une théorie quantique de la gravité est nécessaire pour comprendre quel type de phénomènes il y a dans les cas où il y a un champ gravitationnel et des énergies élevées », explique Partanen. Ce sont les conditions autour des trous noirs et dans le tout premier univers, juste après le Big Bang – où les théories existantes en physique cessent de fonctionner.
Toujours fasciné par les très grandes questions de la physique, il a découvert une nouvelle approche basée sur la symétrie de la théorie de la gravité et a commencé à développer l'idée davantage avec Tulkki. Le travail qui en résulte a un grand potentiel pour débloquer une toute nouvelle ère de compréhension scientifique, de la même manière que la compréhension de la gravité a ouvert la voie à la création de GPS.
Invitation ouverte à la communauté scientifique
Bien que la théorie soit prometteuse, le duo souligne qu'ils n'ont pas encore terminé sa preuve. La théorie utilise une procédure technique connue sous le nom de renormalisation, une manière mathématique de traiter avec les infinies qui apparaissent dans les calculs.
Jusqu'à présent, Partanen et Tulkki ont montré que cela fonctionne jusqu'à un certain point – pour les termes dits de «premier ordre» – mais ils doivent s'assurer que les infininités peuvent être éliminées tout au long du calcul.
« Si la renormalisation ne fonctionne pas pour des termes d'ordre supérieur, vous obtiendrez des résultats infinis. Il est donc essentiel de montrer que cette renormalisation continue de fonctionner », explique Tulkki. « Nous devons encore faire une preuve complète, mais nous pensons qu'il est très probable que nous réussirons. »
Partanen est d'accord. Il y a encore des défis à venir, dit-il, mais avec le temps et les efforts, il s'attend à être surmontés. « Je ne peux pas dire quand, mais je peux dire que nous en saurons beaucoup plus à ce sujet dans quelques années. »
Pour l'instant, ils ont publié la théorie tel quel, afin que le reste de la communauté scientifique puisse se familiariser avec lui, vérifier ses résultats, aider à le développer davantage et s'y développer.
« Comme la mécanique quantique et la théorie de la relativité avant elle, nous espérons que notre théorie ouvrira d'innombrables avenues pour les scientifiques à explorer », conclut Partanen.
