24/06/2014

L'espace-temps, un superfluide ?

Des physiciens pensent que l’univers pourrait être comme une sorte de liquide, et que cela pourrait résoudre pas mal de problèmes de mise en concordance des théories du grand (la relativité générale) et du petit (la mécanique quantique).



On pense généralement que l’espace et le temps sont les éléments fondamentaux de l’Univers. Mais si ils n’étaient pas fondamentaux mais au contraire la résultante d’une construction d’éléments plus petits et plus élémentaires qui nous échappent complètement, à l’image d’un liquide constitué de molécules ? Nous verrions seulement le comportement du liquide, dont les propriétés physiques émergeraient en fait de la physique de ses constituants (les « molécules »).
L’eau est faite de molécules composées d’atomes d’hydrogène et d’oxygène. Ces molécules interagissent entre elles selon les lois de la mécanique quantique, mais à notre échelle, l’eau apparaît comme un milieu continu, coulant, transparent avec des propriétés de viscosité et de réfraction. Toutes ces propriétés que nous voyons sont des propriétés émergentes qui n’existent pas au niveau des molécules individuelles mais seulement au niveau macroscopique, même si au final elles en découlent.

Des physiciens ont commencé à penser à une telle possibilité pour l’espace-temps dans les années 1990, dans le but d’essayer d’unifier mécanique quantique et relativité générale. De nombreux autres physiciens s’étaient lancés, certains avec de beaux succès théoriques, dans le développement d’une gravitation quantique, citons par exemple la théorie des cordes ou encore la gravité quantique à boucles… Mais peut-être est-ce vain de vouloir quantifier la gravité, peut-être que ce qui devrait être quantifié est une brique fondamentale (la "molécule" dans notre analogie) qui produit l’espace-temps (le liquide) à partir d’une échelle plus profonde ?

Deux physiciens italiens, Stefano Liberati et Luca Maccione se sont lancés dans la recherche de signes observationnels pouvant montrer que l’espace-temps agirait comme un liquide, et ils ont obtenu des réponses. Plus précisément, ils ont exploré comment le concept devait affecter le trajet des photons très énergétiques. Un espace-temps émergent qui agirait comme un fluide ressemblerait beaucoup à un espace-temps d’une autre théorie, à une exception près. Les physiciens italiens ont montré que des différences devaient apparaître dans des situations extrêmes comme le déplacement de photons très énergétiques. Pour reprendre l’analogie, dans un univers-fluide, les particules voyageraient dans l’espace-temps comme des vagues à la surface de l’eau, et les lois de la mécanique des fluides pourraient s’appliquer sans grandes modifications. Il devrait notamment exister des phénomènes de dispersion (variation de la vitesse) et de dissipation (perte d’énergie). Comme une onde perd de l’énergie lors de son trajet dans un milieu matériel, Liberati et Maccione montrent qu’un phénomène similaire devrait avoir lieu pour les photons traversant l’espace-temps. Bien que l’effet devrait être faible, des photons de haute énergie traversant une longue distance devraient perdre une fraction notable de leur énergie, selon eux.

La nébuleuse du Crabe
Pour tester cette idée, nos deux physiciens ont donc exploité une source astrophysique bien connue qui est la nébuleuse du Crabe, dont le cœur se trouve être un résidu de supernova qui émet des quantités appréciables de rayons X et de rayons gamma, à une distance de 6500 années-lumière de nous. Si l’espace–temps possède des propriétés de fluide, leur énergie devrait avoir subi une dissipation qui se verrait dans le spectre observé.

Les physiciens n’ont rien observé de tel dans les photons X et gamma du Crabe !... OK, l’espace-temps n’est donc pas un fluide, allez-vous conclure… Pas si vite ! Grâce à ces observations, Liberati et Maccione posent des contraintes fortes sur la théorie, l’idée n’est pas complètement rejetée. L’observation de l’absence de dissipation permet de circonscrire leur théorie : elle indique que si l’espace-temps était un fluide, il ne pourrait être qu’un fluide avec une viscosité très très faible, en d’autres termes, un superfluide

Bien évidemment, si ce concept était correct, cela signifierait que la vitesse de la lumière ne serait pas constante, ce qui apparaît être une grave violation de l’invariance de Lorentz  à la base de la théorie d’Einstein, mais mettre à mal la Relativité permettrait aussi de se débarrasser des quantités infinies qui y apparaissent … ce qui n’est pas pour déplaire aux grands unificateurs de théories.


Référence :
Astrophysical Constraints on Planck Scale Dissipative Phenomena
Stefano Liberati et Luca Maccione
Physical Review Letters  112, 151301 (14 april 2014)

6 commentaires :

haloscopy a dit…

Bonjour,

quelles sont les "quantités infinies" dont on on pourrait se débarrasser ? Parce que s'il s'agit de trous noirs, ça remettrait en question beaucoup de choses non ?
(Bon, la théorie semble tout de même bien contrainte...)

Dr Eric SIMON a dit…

Bonjour,

Oui, je parle bien des singularités de type trou noir (densité infinie). Je dis souvent que quand on saura ce qui se passe réellement dans un trou noir on aura compris ce qu'est l'Univers... ;-)

Planete Nano a dit…

En espérant que personne ne tire la chasse ! Blague à part, article très intéressant. Certaines hypothèses un temps jugées "folles" se sont révélées être vrai par la suite. Affaire à suivre.

Anonyme a dit…

il fut un temps ou ce fut l'heter...
je ne suis pas sur que, juste parce que cela arrangerait beaucoup les theoriciens , cette hypotese soit pout le moins authentique

Dr Eric SIMON a dit…

Votre remarque peut ressembler à celle des physiciens du XIXème siècle qui ne voulaient abandonner l'éther à aucun prix. Chaque époque possède ses paradigmes sans cesse remis en cause, la science avance comme ça.

haloscopy a dit…

La question n'est pas tant ce qu'il y a dans le trou.noir, mais qu'est ce qui créé les forts puits gravitationnels observés (centre de notre galaxie, Andromede) si ce n'en est pas...

Enfin cette théorie m'a l'air suffisamment contrainte à l'heure actuelle. Si le fluide n'à vraiment aucune viscuosite, ce n'est pas testable et ce n'est plus vraiment de la science.