La théorie générale de la relativité d'Einstein, dans laquelle la gravité naît de la courbure de l'espace-temps, est remarquable. Il a été vérifié avec un niveau de précision incroyable, dans certains cas jusqu'à quinze décimales. L'une de ses prédictions les plus intéressantes était l'existence d'ondes gravitationnelles: des ondulations dans l'espace-temps qui se propagent librement. Il n'y a pas si longtemps, ces ondes étaient captées par les détecteurs LIGO et VIRGO.
Et pourtant, il y a de nombreuses questions auxquelles nous n'avons pas encore de réponses. La gravité quantique pourrait aider à les trouver.
Nous savons que la relativité générale est incomplète. Elle se manifeste bien lorsque les effets quantiques de l'espace-temps sont complètement invisibles, ce qui est presque toujours le cas. Mais lorsque les effets quantiques de l'espace-temps deviennent importants, nous avons besoin d'une meilleure théorie: une théorie de la gravité quantique.
Une illustration de l'univers primitif, constitué de mousse quantique, lorsque les fluctuations quantiques étaient énormes et se manifestaient à la plus petite échelle
Puisque nous n'avons pas encore formulé de théorie de la gravitation quantique, nous ne savons pas ce que sont l'espace et le temps. Nous avons plusieurs théories appropriées pour la gravitation quantique, mais aucune d'elles n'est largement acceptée. Néanmoins, sur la base des approches existantes, nous pouvons supposer ce qui peut arriver à l'espace et au temps dans la théorie de la gravité quantique. La physicienne Sabine Hossfender a rassemblé dix exemples surprenants.
1) En gravitation quantique, il y aura des fluctuations sauvages de l'espace-temps même en l'absence de matière. Dans le monde quantique, le vide n'est jamais au repos, tout comme l'espace et le temps.
À la plus petite échelle quantique, l'univers peut être rempli de minuscules trous noirs microscopiques avec de faibles masses. Ces trous peuvent se connecter ou se dilater vers l'intérieur d'une manière très intéressante.
2) L'espace-temps quantique peut être rempli de trous noirs microscopiques. De plus, il peut contenir des trous de ver ou des univers infantiles peuvent naître - comme de petites bulles qui se détachent de l'univers de la mère.
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3) Et comme il s'agit d'une théorie quantique, l'espace-temps peut tout faire en même temps. Il peut simultanément créer un univers infantile et ne pas le créer.
Le tissu de l'espace-temps n'est peut-être pas du tout un tissu, mais constitué de composants discrets, qui ne nous semblent être qu'un tissu continu à grande échelle macroscopique.
4) Dans la plupart des approches de la gravitation quantique, l'espace-temps n'est pas fondamental, mais consiste en autre chose. Il peut s'agir de chaînes, de boucles, de qubits ou de variantes «d'atomes» d'espace-temps qui apparaissent dans les approches de matière condensée. Les composants individuels ne peuvent être démontés qu'en utilisant les énergies les plus élevées, dépassant de loin celles dont nous disposons sur Terre.
5) Dans certaines approches avec matière condensée, l'espace-temps a les propriétés d'un corps solide ou liquide, c'est-à-dire qu'il peut être élastique ou visqueux. Si cela est vrai, les conséquences observées sont inévitables. Les physiciens recherchent actuellement des traces d'effets similaires dans les particules errantes, c'est-à-dire dans la lumière ou les électrons qui nous parviennent depuis un espace lointain.
Animation schématique d'un faisceau de lumière continu diffusé par un prisme. Dans certaines approches de la gravité quantique, l'espace peut agir comme un milieu dispersif pour différentes longueurs d'onde de lumière
6) L'espace-temps peut affecter la façon dont la lumière le traverse. Il peut ne pas être complètement transparent ou la lumière de différentes couleurs peut se déplacer à des vitesses différentes. Si l'espace-temps quantique affecte la propagation de la lumière, cela peut également être observé dans de futures expériences.
7) Les fluctuations de l'espace-temps peuvent détruire la capacité de la lumière provenant de sources éloignées à créer des modèles d'interférence. Cet effet a été recherché et n'a jamais été retrouvé, du moins dans le domaine visible.
La lumière passant à travers deux fentes épaisses (en haut), deux fentes minces (au centre) ou une fente épaisse (en bas) présente des interférences indiquant sa nature ondulatoire. Mais en gravité quantique, certaines des propriétés d'interférence attendues peuvent ne pas être possibles.
8) Dans les zones à forte courbure, le temps peut se transformer en espace. Cela peut se produire, par exemple, à l'intérieur de trous noirs ou dans un big bang. Dans ce cas, l'espace-temps que nous connaissons avec trois dimensions spatiales et une temporelle et une temporelle peut se transformer en un espace «euclidien» à quatre dimensions.
La connexion de deux endroits différents dans l'espace ou dans le temps à travers un trou de ver reste seulement une idée théorique, mais elle peut non seulement être intéressante, mais aussi inévitable en gravité quantique
L'espace-temps peut être connecté de manière non locale avec de minuscules trous de ver qui imprègnent l'univers entier. De telles connexions non locales doivent exister dans toutes les approches dont la structure sous-jacente n'est pas géométrique, comme un graphe ou un réseau. Cela est dû au fait que dans de tels cas, le concept de «proximité» ne sera pas fondamental, mais implicite et imparfait, de sorte que des régions éloignées peuvent être accidentellement connectées.
10) Peut-être pour combiner la théorie quantique avec la gravité, nous devons mettre à jour non pas la gravité, mais la théorie quantique elle-même. Si tel est le cas, les conséquences seront considérables. La théorie quantique étant au cœur de tous les appareils électroniques, sa révision ouvrira des possibilités entièrement nouvelles.
Bien que la gravité quantique soit souvent considérée comme une idée hautement théorique, il existe de nombreuses possibilités de vérification expérimentale. Nous voyageons tous dans l'espace-temps chaque jour. Le comprendre peut changer nos vies.
Ilya Khel
