«En tant que camarade senior, je dois vous dissuader de cette activité, car, premièrement, vous ne réussirez pas dans cette activité et même si vous réussissez, personne ne vous croira de toute façon»
De la lettre de Max Planck à Albert Einstein sur la tentative d'Einstein de résoudre la contradiction entre la relativité spéciale et la gravité newtonienne
Depuis l'antiquité, l'humanité a toujours été fascinée par les concepts d'espace (ciel) et de temps (début, changement et fin). Les premiers penseurs, à commencer par Gautama Buddha, Lao Tzu et Aristote, ont activement abordé ces concepts. Au fil des siècles, le contenu du raisonnement de ces penseurs a cristallisé dans la conscience humaine ces images mentales que nous utilisons aujourd'hui dans notre vie quotidienne. Nous considérons l'espace comme un continuum tridimensionnel qui nous enveloppe. Nous représentons le temps comme la durée de tout processus, non affecté en aucune façon par les forces agissant dans l'univers physique. Et ensemble, ils forment la scène sur laquelle se développe tout le drame des interactions, dont les acteurs sont tout le reste - étoiles et planètes, champs et matière, vous et moi.
Depuis plus de mille ans, quatre livres de physique écrits par Aristote ont jeté les bases des sciences naturelles. Alors qu'Héraclite croyait que l'univers est en développement infini et que tous les processus en lui n'ont jamais commencé et ne finissent jamais, Parménide a enseigné que le concept même de mouvement est incompatible avec qui est l'Unique, Continu et Éternel. Aristote a incorporé ces deux idées dans son système cosmogonique. Tous les changements étaient maintenant associés à la Terre et à la Lune, car ces changements étaient évidents. L'immuabilité a été transférée à d'autres planètes, le soleil et les étoiles, parce qu'elles étaient belles, immuables et éternelles. Dans le langage moderne, on peut affirmer qu'Aristote fonctionnait avec un temps absolu, un espace avec une structure absolue, et tout cela a été fourni par la Terre changeante. Ces concepts sous-tendent la véritable perception et la description du monde, à l'époque, qu'Isaac Newton a étudiées en 1661-1665, alors qu'il était étudiant à Cambridge.
Vingt ans plus tard, Newton a renversé ces dogmes vieux de plusieurs siècles. En publiant sa vision du monde qui nous entoure en 1686, il a fourni une nouvelle compréhension de l'univers qui nous entoure. Selon ses principes, le temps s'est avéré être un rebord de fenêtre, substitué à un continuum dimensionnel. C'était toujours absolu et le même pour tous les observateurs. Tous les événements simultanés formaient un continuum spatial en trois dimensions. Ainsi, la structure absolue de l'espace a disparu dans son raisonnement. Grâce aux leçons de Copernic, la Terre a été retirée de sa position privilégiée dans l'univers. La relativité galiléenne a placé tous les observateurs inertiels sur une plate-forme physique avec une précision mathématique. Les principes newtoniens ont détruit l'orthodoxie aristotélicienne en abolissant la distinction entre le ciel et la terre. Le ciel n'était plus le même. Pour la première fois en physique, des principes universels sont apparus. La pomme tombant sur la terre et les planètes se déplaçant sur leurs orbites autour du soleil étaient désormais soumises aux mêmes lois. Les cieux n'étaient plus aussi mystérieux qu'ils étaient soumis à la conscience de l'esprit humain. Déjà au début des années 1700, lors des audiences de la Royal Society of Great Britain, des œuvres ont commencé à apparaître qui prédisaient non seulement le mouvement de Jupiter, mais aussi le mouvement de ses lunes! Il n’est pas surprenant qu’à cette époque, l’attitude à l’égard de Newton ait été remplie non seulement de scepticisme, mais aussi de peur, et pas seulement de la part des non-professionnels, mais aussi de la part de la principale intelligentsia européenne. Par exemple, le marquis de l'Hôpital, connu des étudiants modernes pour sa règle de calcul des limites,écrivit de la France à John Arbuthnot en Angleterre concernant Newton et ses principes comme suit:
- Mon Dieu! Quels fondements de la connaissance nous apparaissent dans ce livre? Est-ce qu'il mange, boit et dort? Les autres hommes sont-ils comme lui?
Comme Richard Westfold l'a dit dans sa biographie très respectée de Never Alone de Newton:
- Jusqu'en 1687, Newton n'était guère une personne célèbre dans les cercles philosophiques. Cependant, rien n'a préparé le monde de la philosophie naturelle à l'émergence de ses principes. Des principes qui sont devenus un tournant pour Newton lui-même, qui, après vingt ans de recherche, est finalement passé de réalisation en réalisation. Des principes qui sont devenus un tournant pour la philosophie naturelle.
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Les principes newtoniens sont devenus la nouvelle orthodoxie et ont régné en maître pendant plus de 150 ans. Le premier défi à la compréhension de Newton du monde a été lancé dans un domaine complètement inattendu de la physique et a été associé au développement de la compréhension des phénomènes électromagnétiques. Au milieu du 19e siècle, le physicien écossais James Clark Maxwell a réalisé une étonnante synthèse de toutes les connaissances accumulées dans ce domaine en écrivant ses quatre célèbres équations vectorielles. Ces équations ont en outre permis de comprendre la signification particulière de la vitesse de la lumière. Mais à l'époque, c'était impossible à comprendre. La vitesse absolue de transmission de l'interaction contredit clairement le principe de relativité de Galilée, qui était la pierre angulaire du modèle d'espace-temps de Newton. À ce moment-là, la plupart des physiciens croyaient inconditionnellement à la vérité du monde newtonien et sont donc parvenus à la conclusion que les équations de Maxwell ne peuvent être remplies que dans un certain environnement appelé éther. Mais, faisant de telles déclarations, ils sont retournés involontairement à Aristote, qui a affirmé que la structure absolue de l'espace est inhérente à la Nature. Et dans cet état, ce problème a duré environ 50 ans.
Aujourd'hui, Albert Einstein, 26 ans, publie son célèbre ouvrage «Sur l'électrodynamique des médias en mouvement». Dans ce travail, Einstein a accepté la vérité des valeurs des constantes contenues dans les équations de Maxwell et, à l'aide d'expériences de pensée simples, a clairement montré que la vitesse de la lumière est une constante universelle, qui conserve sa valeur pour tous les observateurs inertiels. Il a montré que le concept de simultanéité physique absolue est intenable. Les événements spatialement séparés qui semblent être simultanés pour un observateur ne le sont pas pour un autre observateur se déplaçant par rapport au premier à une vitesse constante.
Il est apparu clairement que le modèle newtonien de l'espace-temps ne peut être qu'une approximation, valable dans le cas où les vitesses considérées sont bien inférieures à la vitesse de la lumière. Un nouveau modèle d'espace-temps est apparu, comprenant un nouveau principe de relativité, appelé la théorie spéciale de la relativité. Cette théorie avait une signification révolutionnaire en son temps. Selon elle, le temps a perdu sa place absolue en physique. Le continuum espace-temps à quatre dimensions est devenu absolu. Les distances dans l'espace-temps à quatre dimensions entre les événements sont bien définies, mais seuls les intervalles temporels ou spatiaux entre les événements ont commencé à dépendre du choix d'un cadre de référence, c'est-à-dire de la vitesse de déplacement d'un observateur par rapport à un autre. La nouvelle théorie a donné des prédictions inhabituelles et spectaculaires,qui étaient difficiles à percevoir à l'époque. L'énergie et la masse ont perdu leur caractère unique et pourraient se transformer l'une en l'autre, selon la formule bien connue E = mc2. Il faut noter ici que cette relation est apparue pour la première fois en 1895 dans l'ouvrage d'Henri Poincaré «Sur la mesure du temps», publié dans la revue philosophique parisienne et n'a donc pas attiré l'attention des physiciens, mais elle a acquis sa signification actuelle après les travaux d'Einstein. Imaginez que l'énergie contenue dans un gramme de matière puisse éclairer une ville entière pendant un an. Un jumeau qui a laissé sa sœur sur Terre et se déplaçait dans un vaisseau spatial à une vitesse proche de la vitesse de la lumière reviendrait pour constater que sa sœur avait vieilli de plusieurs décennies par comparaison. Ces prédictions étaient si inattendues que de nombreux scientifiques des grandes universitésque la théorie donnée ne peut pas être viable. Cependant, ils avaient tous tort. Les réacteurs nucléaires fonctionnent sur Terre et les étoiles brillent dans le ciel, convertissant la masse en énergie, correspondant exactement à la formule E = mc2. Dans les laboratoires à haute énergie, les particules instables accélérées à des vitesses proches de la lumière vivent des dizaines et des centaines de fois plus longtemps que leurs jumeaux reposant sur terre.
Cependant, malgré toute la nature révolutionnaire de la SRT, un aspect de l'espace-temps est resté aristotélicien. Elle est restée une arène passive pour tous les événements, une toile sur laquelle les forces motrices de l'Univers peignent leur tableau. Au milieu du XIXe siècle, les mathématiciens ont compris que la géométrie d'Euclide, que nous avons tous étudiée à l'école, est l'une des géométries possibles. Cela a conduit à l'idée la plus clairement exprimée par Richard Riemann en 1854. Il a dit que la géométrie de l'espace physique peut ne pas obéir aux axiomes d'Euclide, mais peut être courbée en raison de la présence de matière dans l'Univers. Dans ses idées, l'espace a cessé d'être passif et a été changé par la matière. Il a fallu encore 61 ans pour que cette idée soit en demande.
Un événement si important a été la publication par Einstein en 1915 de sa Théorie générale de la relativité. Dans cette théorie, l'espace-temps a pris la forme d'un continuum à quatre dimensions. La géométrie de ce continuum est courbe, et le degré de courbure simule les champs gravitationnels dans le continuum lui-même. L'espace-temps a cessé d'être inerte. Il agit sur la matière et la matière agit sur elle. Comme l'a dit le célèbre physicien américain John Wheeler:
- La matière dit à l'espace-temps comment se plier et l'espace-temps dit à la matière comment se déplacer.
Il n'y a plus de spectateurs dans la danse cosmique, pas de fond sur lequel tous les événements se déroulent. La scène elle-même a rejoint le casting. C'est un changement profond dans la vision du monde. Puisque tous les systèmes physiques sont situés dans l'espace-temps, un tel changement de perspective a bouleversé tous les fondements de la philosophie naturelle. Il a fallu de nombreuses décennies aux physiciens pour accepter les nombreuses applications de cette théorie et les philosophes ont accepté une nouvelle compréhension du monde issue de la relativité générale.
2. La gravité est la géométrie
«C'est comme si le mur qui nous séparait de la vérité s'était effondré. Des espaces plus larges et des profondeurs infinies s'ouvrent à l'œil en quête de connaissances, des domaines dont nous n'avions aucune idée
Hermann Weil "Théorie générale de la relativité"
On peut supposer qu'en écrivant son œuvre, Einstein s'est apparemment inspiré de deux faits assez simples. Premièrement, l'universalité de la gravité, démontrée par Galilée dans ses célèbres expériences sur la tour penchée de Pise. La gravité est universelle, puisque tous les corps de la tour sont tombés de manière égale si seule la force gravitationnelle agissait sur eux. Deuxièmement, la gravité se manifeste toujours comme une attraction. Cette propriété le distingue fortement, par exemple, de la force électrostatique, qui est décrite par la loi sous la même forme que la loi de la gravitation universelle et se manifeste en fonction du type de charges en interaction à la fois comme attraction et comme répulsion. En conséquence, alors que la force électrostatique peut être protégée et qu'il est assez facile de créer des zones dans lesquelles elle n'agira pas,la gravité ne peut pas être filtrée en principe. Ainsi, la gravité est omniprésente et agit de la même manière sur tous les corps. Ces deux faits parlent d'une forte différence entre la gravité et d'autres interactions fondamentales et suggèrent que la gravité est une manifestation de quelque chose de plus profond et de plus universel. Parce que l'espace-temps est également omniprésent et universel, Einstein a suggéré que la gravité ne se manifeste pas comme une force, mais comme une courbure de la géométrie de l'espace-temps. L'espace-temps dans la théorie générale de la relativité est malléable et peut être modélisé par une feuille de caoutchouc bidimensionnelle pliée par des corps massifs. Par exemple, le soleil, étant lourd, plie fortement l'espace-temps. Les planètes, comme tous les corps tombant sur la Terre, se déplacent le long de trajectoires «droites», mais uniquement selon une géométrie courbe. Dans un sens mathématique précis, ils suivent les chemins les plus courts, appelés lignes géodésiques - ce sont des généralisations de lignes droites de la géométrie plane d'Euclide à la géométrie courbe de Riemann. Ainsi, si nous considérons un espace-temps courbe, par exemple, la Terre choisira une trajectoire optimale dans un tel espace, qui est un analogue complet d'une ligne droite. Mais, puisque l'espace-temps est courbe, dans la projection sur l'espace plat d'Euclide et de Newton, cette trajectoire sera elliptique.puisque l'espace-temps est courbe, dans la projection sur l'espace plat d'Euclide et de Newton, cette trajectoire sera elliptique.puisque l'espace-temps est courbe, dans la projection sur l'espace plat d'Euclide et de Newton, cette trajectoire sera elliptique.
L'attrait de la théorie générale de la relativité réside dans le fait qu'elle, en utilisant des mathématiques élégantes, a transformé ces idées conceptuellement simples en équations concrètes et utilise ces équations pour faire des prédictions étonnantes sur la nature de la réalité physique. Elle prédit que l'horloge devrait fonctionner plus vite à Katmandou qu'à Yalta. Les noyaux galactiques devraient agir comme des lentilles gravitationnelles géantes et nous montrer des images spectaculaires et multiples de quasars distants. Deux étoiles à neutrons tournant autour d'un centre commun doivent perdre de l'énergie en raison des ondulations dans l'espace-temps courbe causées par leur mouvement en spirale, convergeant vers un seul centre, suivies de leur collision. Ces dernières années, de nombreuses expériences ont été menées pour tester ces prédictions et encore plus exotiques. Et à chaque fois, la théorie générale de la relativité l'emportait. La précision de certaines des expériences a dépassé la précision des expériences légendaires sur la détection d'un quantum du champ électromagnétique. Cette combinaison de profondeur conceptuelle, d'élégance mathématique et de succès d'observation est sans précédent. C'est pourquoi la théorie générale de la relativité, d'une part, est considérée comme l'une des théories physiques les plus nobles, et d'autre part, suscite un intérêt considérable, en tant qu'objet de toutes sortes et pas toujours de critique professionnelle.pourquoi la théorie générale de la relativité, d'une part, est considérée comme l'une des théories physiques les plus nobles, et d'autre part, suscite un intérêt considérable, en tant qu'objet de toutes sortes et pas toujours de critique professionnelle.pourquoi la théorie générale de la relativité, d'une part, est considérée comme l'une des théories physiques les plus nobles, et d'autre part, suscite un intérêt considérable, comme un objet de toutes sortes et pas toujours des critiques professionnelles.
3. Big bang et trous noirs
«Les physiciens ont bien fait, mais ils ont montré les limites de l'intuition, sans l'aide des mathématiques. Ils ont constaté que la compréhension de la nature est très difficile à avancer. Le progrès scientifique devait être payé en admettant désobligeant que la réalité était construite de telle manière qu’elle ne serait pas facilement capturée par la perception humaine »
Edward O. Wilson «Coïncidence. L'unité de la connaissance"
L'avènement de la théorie générale de la relativité a inauguré l'ère de la cosmologie moderne. A très grande échelle, l'univers qui nous entoure apparaît homogène et isotrope. Cette vision est la plus grande réalisation du principe copernicien: dans notre univers, il n'y a pas de points choisis, pas de direction choisie. En 1922, en utilisant les équations d'Einstein, le mathématicien russe Alexander Fridman a montré qu'un tel univers ne peut pas être statique. Il doit s'agrandir ou s'effondrer. En 1929, l'astronome américain Edwin Hubble a découvert que l'univers était en effet en pleine expansion. Ce fait, à son tour, implique que ce processus doit avoir son début, dans lequel la densité de gravité et, par conséquent, la courbure de l'espace-temps doivent être infiniment grandes. Le concept du Big Bang a émergé. Une observation attentive,surtout au cours des 20 dernières années, ont montré que cet événement a probablement eu lieu il y a 14 milliards d'années. Depuis lors, les galaxies se sont séparées et la gravité moyenne a régulièrement baissé. En combinant nos connaissances de la théorie générale de la relativité avec la physique de laboratoire, nous pouvons faire de nombreuses prédictions détaillées. Par exemple, nous pouvons calculer la quantité relative d'éléments légers dont les noyaux se sont formés dans les trois premières minutes après l'explosion (voir, par exemple, ici). Nous pouvons prédire l'existence et les propriétés du rayonnement primaire (fond de micro-ondes relique) qui a été émis lorsque l'univers avait environ 400 000 ans. Et on peut dire que les premières galaxies se sont formées lorsque l'univers avait un milliard d'années. Une incroyable gamme de temps et une variété de phénomènes!a eu lieu il y a 14 milliards d'années. Depuis lors, les galaxies se sont séparées et la gravité moyenne a régulièrement baissé. 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En outre, la théorie générale de la relativité a changé l'approche philosophique de la question du commencement. Jusqu'en 1915, ce sujet pouvait être débattu quand Emmanuel Kant affirmait que l'univers n'aurait peut-être pas eu un début fini. Ensuite, la question pourrait être posée: qu'y avait-il avant? Mais cette question suppose implicitement que l'espace et le temps ont toujours existé et que l'Univers est né avec la matière. Dans la théorie générale de la relativité, cela n'a aucun sens de se poser une telle question, car l'espace-temps est né avec la matière dans le Big Bang. La question "Qu'y avait-il avant?" ne veut plus rien dire. Dans un sens précis, le Big Bang est la frontière où se termine l'espace-temps, où le continuum espace-temps se rompt. La théorie générale de la relativité au moment du Big Bang a établi une frontière naturelle pour la physique qui ne permettait pas d'aller plus loin.
En ce qui concerne les trous noirs, la Relativité Générale a également découvert d'autres contingences. La première solution à l'équation d'Einstein décrivant un trou noir a été obtenue dès 1916 par l'astrophysicien allemand Karl Schwarzschild, qui a combattu dans l'armée allemande sur les fronts de la Première Guerre mondiale. Cependant, comprendre la signification physique de cette décision a pris du temps. Le moyen le plus naturel de former des trous noirs est la mort des étoiles. Pendant la lueur d'une étoile brûlant du combustible nucléaire, la pression radiale vers l'extérieur peut contrebalancer la gravité. Mais après que tout le carburant a été brûlé, la seule force qui peut rivaliser avec l'attraction gravitationnelle est la force répulsive générée par le principe d'exclusion de la mécanique quantique de Pauli. Lors de son célèbre voyage à Cambridge,Subrahmanyan Chandrasekhar, vingt ans, a combiné les principes de la relativité restreinte et de la mécanique quantique pour montrer que si une étoile est suffisamment massive, la gravité peut vaincre les forces répulsives générées par le principe d'exclusion de Pauli. En conséquence, l'étoile achève son évolution en tant que trou noir. Dans les années 30, il corrige et augmente ses calculs et fournit des arguments irréfutables en faveur d'un tel scénario de crash d'étoile. Cependant, l'éminent astrophysicien britannique de l'époque, Arthur Eddington, n'a pas accepté l'idée d'un tel scénario et a déclaré qu'avec des calculs «corrects», la relativité restreinte n'est tout simplement pas applicable. Aujourd'hui, même un étudiant échouerait à l'examen s'il essayait de donner un tel raisonnement dans son raisonnement. Les principaux physiciens quantiques de l'époque, Borovskaya et Dirac, étaient volontiers d'accord avec les résultats de Chandrasekhar, mais l'ont fait dans des lettres personnelles, sans penser à signaler publiquement les erreurs d'Eddington. Cela n'a été corrigé qu'en 1983 lorsque Chandrasekhar a reçu le prix Nobel. En conséquence, ce malentendu a retardé de plusieurs décennies non seulement la reconnaissance du travail de Chandrasekhar, mais aussi la perception des trous noirs comme des objets réels.comme de vrais objets.comme de vrais objets.
Curieusement, mais même Einstein lui-même n'a pas perçu de trous noirs. Déjà en 1939, il publia un article dans les Annals of Mathematics, dans lequel il soutenait que les trous noirs ne peuvent pas être formés par l'effondrement des étoiles. Il a soutenu que les calculs étaient corrects, mais que la conclusion était le résultat d'une hypothèse irréaliste. Quelques mois plus tard, les physiciens américains Robert Oppenheimer et Hartland Snyder ont publié leurs travaux désormais classiques, prouvant irréfutablement que les étoiles massives achèvent leur évolution avec la formation d'un trou noir. Il a été démontré qu'un trou noir est une région dans laquelle la courbure de l'espace-temps est si forte que même la lumière est incapable de le quitter. Par conséquent, selon la théorie générale de la relativité, ces zones apparaissent d'un noir absolu aux observateurs extérieurs. Si nous nous tournons vers l'analogie d'une surface de caoutchouc bidimensionnelle, il s'avère que la déviation de l'espace-temps dans un trou noir est si grande qu'elle se brise réellement, formant une singularité. Comme pour le Big Bang, la courbure devient infinie. L'espace-temps forme l'horizon des événements, et la physique s'arrête juste à cet horizon.
Et pourtant, apparemment, les trous noirs sont des objets communs dans l'univers. La théorie générale de la relativité, combinée à notre connaissance du processus de l'évolution stellaire, prédit qu'il devrait y avoir un grand nombre de trous noirs dans l'univers avec des masses de l'ordre de 10 à 50 masses solaires, qui sont les produits de l'activité vitale des étoiles massives. En effet, les trous noirs sont des acteurs de premier plan dans l'astronomie et l'astrophysique modernes. Ce sont de puissantes sources de certains des phénomènes les plus énergétiques de l'univers, comme le célèbre rayon gamma émis par un énorme trou noir. Ce rayon porte l'énergie que 1000 soleils émettent pendant toute leur vie. Un trou noir se produit à la suite d'une explosion de supernova qui complète la vie d'une étoile massive. Et une telle explosion est enregistrée chaque jour. Les centres de toutes les galaxies elliptiques semblent êtrecontiennent des trous noirs supermassifs avec des masses de l'ordre de millions de masses solaires. Notre propre galaxie, la Voie lactée, a un trou noir en son centre avec une masse de 3,2 millions de masses solaires.
4. Après Einstein
«En effet, de nouveaux domaines de notre expérience mèneront toujours à la cristallisation d'un nouveau système de connaissances et de lois scientifiques. Face à des défis intellectuels nouveaux et extraordinaires, nous suivons sans cesse l'exemple de Colomb, qui a eu le courage de quitter le monde connu dans l'espoir presque insensé de découvrir des terres à l'autre bout de la mer.
V. Geisenberg "Changements récents dans les sciences exactes"
La théorie générale de la relativité est la meilleure théorie de la gravité et de la structure spatio-temporelle que nous ayons aujourd'hui. Il peut décrire un éventail impressionnant de phénomènes allant de la grande expansion cosmique au fonctionnement d'un système de positionnement mondial sur Terre. Mais cette théorie est incomplète car elle ignore les effets quantiques qui régissent le monde subatomique. De plus, ces deux théories sont fondamentalement différentes. Le monde de la Théorie Générale de la Relativité possède une précision géométrique, il est déterministe. Contrairement à ce monde, le monde de la mécanique quantique est sujet au doute, il est probabiliste. Les physiciens maintiennent cet état heureux, presque schizophrène, en utilisant la relativité générale pour décrire des phénomènes à grande échelle en astronomie et en cosmologie.et la théorie quantique pour décrire les propriétés des atomes et des particules élémentaires. Notez que c'est une stratégie assez viable car ces deux mondes sont très rares. Mais, néanmoins, cette stratégie est, d'un point de vue conceptuel, très insatisfaisante. Tout dans notre expérience physique nous dit qu'il doit y avoir une théorie plus grande, plus complète, à partir de laquelle la théorie générale de la relativité et la théorie quantique doivent surgir en tant que cas spéciaux et limités. Au lieu d'une telle théorie, la théorie quantique de la gravité revendique. C'est un problème urgent, absolument logique suite aux travaux d'Einstein. Contrairement au point de vue généralement accepté formé à la suite des remarques ultérieures d'Einstein sur l'incomplétude de la mécanique quantique, il était clairement conscient de cette limitation de la relativité générale. Merveilleux,mais Einstein a souligné la nécessité de créer une théorie quantique de la gravité en 1916! Dans un article publié dans la Preussische Akademie Sitzungsberichte, il écrit:
- Cependant, en raison du mouvement intra-atomique des électrons, les atomes devaient émettre non seulement de l'énergie électromagnétique, mais aussi gravitationnelle, mais seulement en petites quantités. Puisque tout est un dans la Nature, il semble que la théorie quantique aurait dû changer non seulement l'électrodynamique de Maxwell, mais aussi la nouvelle théorie de la gravitation.
Dans le Big Bang et dans la singularité du trou noir, les très grands et très petits mondes se rencontrent. Par conséquent, bien qu'à l'heure actuelle cette rencontre soit un secret pour nous, scellé de sept sceaux, mais c'est elle qui est la porte par laquelle nous pouvons aller au-delà de la théorie générale de la relativité. On pense actuellement que la physique réelle ne peut s'arrêter au seuil de l'horizon des événements. C'est probablement la théorie générale de la relativité qui échoue là-bas. Il est clair que la physique théorique doit à nouveau revoir notre compréhension de l'espace-temps. Nous avons besoin d'un nouveau langage capable de scruter au-delà de ces portes de l'inconnu.
La création de ce langage est considérée comme le défi le plus sérieux et le plus important auquel la physique fondamentale est aujourd'hui confrontée. Il existe aujourd'hui plusieurs approches dans ce sens. L'un d'eux est lié à la théorie des cordes, mais nous nous concentrerons sur le concept de gravitation quantique en boucle. Il s'agit d'une approche de la construction d'une théorie quantique qui a émergé il y a plus de 20 ans dans les travaux du physicien indien Abhay Ashtekar et est actuellement considérée comme une alternative à l'approche des cordes pour résoudre ce problème.
Dans la théorie générale de la relativité, l'espace-temps est un continuum. L'idée de base derrière la gravitation à boucle quantique est l'affirmation que ce continuum n'est qu'une approximation qui est rompue aux distances dites de Planck. La longueur de Planck est une quantité unique qui peut être construite à partir de la constante gravitationnelle, de la constante de Planck en physique quantique et de la vitesse de la lumière. Cette longueur est de 3,10 à 33 cm, soit 20 ordres de grandeur de moins que le rayon du proton. Par conséquent, même sur les accélérateurs de particules les plus puissants de la planète, vous pouvez travailler en toute sécurité avec le continuum espace-temps. Mais cette situation change radicalement, notamment à proximité du Big Bang et dans les trous noirs. Dans de tels cas, il est nécessaire d'utiliser un espace-temps quantifié dont le quantum est le quantum de boucle de gravité.
Essayons de comprendre ce qu'est le quantum de l'espace-temps. Passons à la feuille de papier posée devant nous. Pour nous, cela ressemble à un continuum bidimensionnel solide. Mais nous savons aussi qu'il se compose d'atomes. Cette feuille a une structure discrète qui devient juste une déclaration si on ne la regarde pas, par exemple, avec un microscope électronique. Maintenant plus loin. Einstein a soutenu que la géométrie de l'espace-temps n'est pas moins physique que la matière. Et donc, il doit aussi avoir une structure «atomique». Cette hypothèse a permis au milieu des années 90 de combiner les principes de la théorie générale de la relativité avec la physique quantique et de créer une géométrie quantique. Tout comme la géométrie continue fournit le langage mathématique pour formuler la théorie générale de la relativité,la géométrie quantique fournit donc un outil mathématique et génère de nouveaux concepts physiques pour décrire les temps cosmiques quantiques.
En géométrie quantique, les excitations géométriques fondamentales fermées dans un anneau, qui sont unidimensionnelles, sont primaires. Le tissu ordinaire semble être un continuum bidimensionnel lisse, mais il est basé sur des fils unidimensionnels. Une hypothèse similaire peut être faite en ce qui concerne un continuum de dimension supérieure. À un niveau purement intuitif, on peut penser aux excitations géométriques fondamentales comme des fils quantiques qui peuvent être tissés pour créer le tissu même de l'espace-temps. Que se passe-t-il lorsque nous sommes proches de la singularité spatio-temporelle? Il est clair que dans ce domaine, le concept même du continuum espace-temps n'est tout simplement pas applicable. Les fluctuations quantiques dans ce domaine sont si énormes que les fils quantiques ne peuvent tout simplement pas être «figés» dans le continuum espace-temps. Le tissu de l'espace-temps est déchiré. La physique du continuum espace-temps est «fixée» sur les restes du tissu espace-temps. En même temps, il devient clair que les fils eux-mêmes, qui constituent la base du tissu de l'univers, acquièrent une signification particulière. En utilisant l'équation quantique d'Einstein, on peut encore étudier la physique, décrire les processus qui se déroulent dans le monde quantique. Mais il y a un point important ici. Le fait est qu'en l'absence de continuum spatio-temporel, de nombreux concepts couramment utilisés en physique deviennent tout simplement incorrects. Il est nécessaire d'introduire en considération de nouveaux concepts qui remplacent ou complètent ceux abandonnés, ce qui nécessite une nouvelle intuition physique. Et dans des conditions aussi dramatiques, la voie est pavée pour les équations quantiques d'Einstein. La physique du continuum espace-temps est «fixée» sur les restes du tissu espace-temps. En même temps, il devient clair que les fils eux-mêmes, qui constituent la base du tissu de l'univers, acquièrent une signification particulière. En utilisant l'équation quantique d'Einstein, on peut encore étudier la physique, décrire les processus qui se déroulent dans le monde quantique. Mais il y a un point important ici. Le fait est qu'en l'absence de continuum spatio-temporel, de nombreux concepts couramment utilisés en physique deviennent tout simplement incorrects. Il est nécessaire d'introduire en considération de nouveaux concepts qui remplacent ou complètent ceux abandonnés, ce qui nécessite une nouvelle intuition physique. Et dans des conditions aussi dramatiques, la voie est pavée pour les équations quantiques d'Einstein. La physique du continuum espace-temps est «fixée» sur les restes du tissu espace-temps. En même temps, il devient clair que les fils eux-mêmes, qui constituent la base du tissu de l'univers, acquièrent une signification particulière. En utilisant l'équation quantique d'Einstein, on peut encore étudier la physique, décrire les processus qui se déroulent dans le monde quantique. Mais il y a un point important ici. Le fait est qu'en l'absence d'un continuum espace-temps, bon nombre des concepts couramment utilisés en physique deviennent tout simplement incorrects. Il est nécessaire d'introduire en considération de nouveaux concepts qui remplacent ou complètent ceux abandonnés, ce qui nécessite une nouvelle intuition physique. Et dans des conditions aussi dramatiques, la voie est pavée pour les équations quantiques d'Einstein.revêtent une importance particulière. En utilisant l'équation quantique d'Einstein, on peut encore étudier la physique, décrire les processus qui se déroulent dans le monde quantique. Mais il y a un point important ici. Le fait est qu'en l'absence de continuum spatio-temporel, de nombreux concepts couramment utilisés en physique deviennent tout simplement incorrects. Il est nécessaire d'introduire en considération de nouveaux concepts qui remplacent ou complètent ceux abandonnés, ce qui nécessite une nouvelle intuition physique. Et dans des conditions aussi dramatiques, la voie est pavée pour les équations quantiques d'Einstein.revêtent une importance particulière. En utilisant l'équation quantique d'Einstein, on peut encore étudier la physique, décrire les processus qui se déroulent dans le monde quantique. Mais il y a un point important ici. Le fait est qu'en l'absence d'un continuum espace-temps, bon nombre des concepts couramment utilisés en physique deviennent tout simplement incorrects. Il est nécessaire d'introduire en considération de nouveaux concepts qui remplacent ou complètent ceux abandonnés, ce qui nécessite une nouvelle intuition physique. Et dans des conditions aussi dramatiques, la voie est pavée pour les équations quantiques d'Einstein. Il est nécessaire d'introduire en considération de nouveaux concepts qui remplacent ou complètent ceux abandonnés, ce qui nécessite une nouvelle intuition physique. Et dans des conditions aussi dramatiques, la voie est pavée pour les équations quantiques d'Einstein. Il est nécessaire d'introduire en considération de nouveaux concepts qui remplacent ou complètent ceux abandonnés, ce qui nécessite une nouvelle intuition physique. Et dans des conditions aussi dramatiques, la voie est pavée pour les équations quantiques d'Einstein.
Sur la base de ces équations, il est devenu possible de clarifier certains des détails du Big Bang. Il s'est avéré que les équations différentielles d'Einstein écrites pour le continuum espace-temps devraient être remplacées par des équations différentielles écrites dans le langage de la structure discrète de la géométrie quantique. Le problème est que les équations d'Einstein standard, qui décrivent parfaitement l'espace-temps classique, cessent complètement de fonctionner à l'approche du Big Bang, lorsque la densité de matière approche la densité de Planck de 1094 g / cm3 par ordre de grandeur. En géométrie quantique, la courbure de l'espace-temps dans le régime de Planck devient très grande, mais finie. Étonnamment, les effets de la géométrie quantique génèrent une nouvelle force répulsive si grandequi surmonte facilement la force de gravité. La théorie générale de la relativité cesse de fonctionner. L'univers s'agrandit. Les équations quantiques d'Einstein permettent de développer la géométrie quantique et de construire une description correcte de la matière dans le régime de Planck, ce qui ne laisse aucune place à un concept aussi non physique qu'une singularité. Le Big Bang est remplacé par un puissant choc quantique.
Un calcul numérique du processus dans le cas isotrope spatialement homogène a été réalisé sur la base des équations quantiques d'Einstein. Le continuum espace-temps a été calculé en dehors du régime de Planck et de «l'autre» côté du Big Bang. Sur la soi-disant branche de la «pré-grande» explosion. Il s'est avéré que ce continuum rétrécissant est également bien décrit par la théorie générale de la relativité. Cependant, lorsque la densité de matière devient égale à 0,8 de la densité de Planck, la force répulsive générée par la géométrie quantique, qui était auparavant insignifiante, devient dominante. Et au lieu de s'effondrer en un point, l'Univers subit un fort impact quantique, transformant le processus en une branche en expansion du «post-big» bang, dans lequel nous vivons maintenant. La théorie générale classique de la relativité décrit très bien les deux branches, sauf lorsque
L'apparition d'une force répulsive de nature quantique au moment d'un impact quantique a une analogie intéressante avec l'apparition d'une force répulsive lors de la mort d'une étoile. Dans le cas où la force répulsive commence à prévaloir sur la force gravitationnelle, lorsque le noyau de l'étoile atteint une densité critique de 6x1016 g / cm3, elle peut empêcher l'effondrement de l'étoile en trou noir et la transformer en une étoile à neutrons stable. Cette force répulsive est générée par le principe d'exclusion de Pauli et est directement liée à la nature quantique du processus en cours. Cependant, si la masse de l'étoile mourante s'avère supérieure à 5 fois la masse du Soleil, la gravité surmonte cette force et l'étoile s'effondre dans un trou noir. Une singularité surgit. La force répulsive générée par la géométrie quantique entre en jeu à des densités de matière plus élevées,mais en même temps, il surmonte la compression gravitationnelle, quelle que soit la masse du corps qui s'effondre. En effet, ce corps peut être tout l'Univers! L'attrait de la gravitation à boucle quantique est qu'en prédisant cet effet, elle empêche la formation de singularités dans le monde réel en prolongeant la «vie» de notre espace-temps à travers un pont quantique.
Grâce à Einstein, au XXe siècle, la compréhension de l'espace et du temps a subi une révision radicale. La géométrie du continuum espace-temps est devenue aussi physique que la matière l'était auparavant. Cette compréhension a ouvert de nouvelles perspectives en cosmologie et en astronomie. Mais dans notre siècle, des changements non moins spectaculaires ne nous attendent dans la compréhension de l'espace-temps. Grâce à la géométrie quantique, le Big Bang et les trous noirs pour la physique ne sont plus entourés de frontières d'inaccessibilité. L'espace-temps quantique physique est beaucoup plus grand que la relativité générale. L'existence d'un lien entre ces théories permet de parler de la cohérence de la gravitation en boucle quantique. Cette cohérence nous permet de tirer des conclusions bien précises sur la physique de l'origine de notre Univers et sur la physique des trous noirs. Des possibilités encore plus intéressantes peuvent surgir à la suite du développement ultérieur de cette théorie.