Il y a un problème fondamental en physique.
Un nombre unique, appelé constante cosmologique, relie le monde microscopique de la mécanique quantique et le monde macroscopique de la théorie d'Einstein de la relativité générale. Mais aucune théorie ne peut s'entendre sur sa valeur.
En fait, il y a un énorme écart entre la valeur observée de cette constante et ce que la théorie prédit qu'elle est largement considérée comme la pire prédiction de l'histoire de la physique. Résoudre cet écart peut être l'objectif le plus important de la physique théorique de ce siècle.
Lucas Lombriser, professeur adjoint de physique théorique à l'Université de Genève en Suisse, a introduit une nouvelle façon d'évaluer les équations de gravité d'Albert Einstein pour trouver une valeur pour la constante cosmologique qui correspond étroitement à sa valeur observée. Il a publié sa méthode en ligne dans le numéro du 10 octobre de la revue Physics Letters B.
Comment la plus grosse erreur d'Einstein est devenue l'énergie sombre
L'histoire de la constante cosmologique a commencé il y a plus d'un siècle quand Einstein a présenté un ensemble d'équations, maintenant connues sous le nom d'équations de champ d'Einstein, qui sont devenues le cadre de sa théorie de la relativité générale. Les équations expliquent comment la matière et l'énergie déforment le tissu de l'espace et du temps pour créer la force de gravité. À l'époque, Einstein et les astronomes étaient d'accord pour dire que l'univers était de taille fixe et que l'espace global entre les galaxies n'avait pas changé. Cependant, quand Einstein a appliqué la relativité générale à l'univers dans son ensemble, sa théorie a prédit un univers instable qui se dilaterait ou se contracterait. Pour forcer l'univers à être statique, Einstein a cloué sur la constante cosmologique.
Près d'une décennie plus tard, un autre physicien, Edwin Hubble, a découvert que notre univers n'est pas statique, mais en expansion. La lumière des galaxies éloignées montrait qu'elles s'éloignaient toutes les unes des autres. Cette révélation a persuadé Einstein d'abandonner la constante cosmologique de ses équations de champ car il n'était plus nécessaire d'expliquer un univers en expansion. Selon la tradition de la physique, Einstein a avoué plus tard que son introduction de la constante cosmologique était peut-être sa plus grande erreur.
En 1998, des observations de supernovas lointaines ont montré que l'univers n'était pas seulement en expansion, mais l'expansion s'accélérait. Les galaxies s'éloignaient les unes des autres comme si une force inconnue surmontait la gravité et les séparait. Les physiciens ont nommé ce phénomène énigmatique l'énergie sombre, car sa véritable nature reste un mystère.
Dans un tour d'ironie, les physiciens ont de nouveau réintroduit la constante cosmologique dans les équations de champ d'Einstein pour tenir compte de l'énergie sombre. Dans le modèle standard actuel de la cosmologie, connu sous le nom de ΛCDM (Lambda CDM), la constante cosmologique est interchangeable avec l'énergie sombre. Les astronomes ont même estimé sa valeur en se basant sur des observations de supernovas éloignées et des fluctuations du fond des micro-ondes cosmiques. Bien que la valeur soit absurdement petite (de l'ordre de 10 ^ -52 par mètre carré), à l'échelle de l'univers, elle est suffisamment importante pour expliquer l'expansion accélérée de l'espace.
"La constante cosmologique constitue actuellement environ 70% du contenu énergétique de notre univers, ce que nous pouvons déduire de l'expansion accélérée observée que notre univers subit actuellement. Pourtant, cette constante n'est pas comprise", a déclaré Lombriser. "Les tentatives pour l'expliquer ont échoué, et il semble y avoir quelque chose de fondamental qui nous manque dans la façon dont nous comprenons le cosmos. La résolution de ce puzzle est l'un des principaux domaines de recherche en physique moderne. Il est généralement prévu que la résolution du problème peut conduire nous à une compréhension plus fondamentale de la physique ".
La pire prédiction théorique de l'histoire de la physique
On pense que la constante cosmologique représente ce que les physiciens appellent «l'énergie du vide». La théorie du champ quantique affirme que même dans un vide d'espace complètement vide, les particules virtuelles font leur apparition et créent de l'énergie - une idée apparemment absurde, mais qui a été observée expérimentalement. Le problème se pose lorsque les physiciens tentent de calculer sa contribution à la constante cosmologique. Leur résultat diffère des observations par un facteur ahurissant de 10 ^ 121 (soit 10 suivi de 120 zéros), le plus grand écart entre la théorie et l'expérience dans toute la physique.
Une telle disparité a amené certains physiciens à douter des équations de gravité originales d'Einstein; certains ont même suggéré des modèles alternatifs de gravité. Cependant, d'autres preuves d'ondes gravitationnelles par l'Observatoire des ondes gravitationnelles de l'interféromètre laser (LIGO) n'ont fait que renforcer la relativité générale et ont rejeté bon nombre de ces théories alternatives. C'est pourquoi au lieu de repenser la gravité, Lombriser a adopté une approche différente pour résoudre ce puzzle cosmique.
"Le mécanisme que je propose ne modifie pas les équations de champ d'Einstein", a déclaré Lombriser. Au lieu de cela, "il ajoute une équation supplémentaire au-dessus des équations de champ d'Einstein."
La constante gravitationnelle, qui a été utilisée pour la première fois dans les lois de la gravité d'Isaac Newton et maintenant une partie essentielle des équations de champ d'Einstein, décrit l'ampleur de la force gravitationnelle entre les objets. Elle est considérée comme l'une des constantes fondamentales de la physique, inchangée éternellement depuis le début de l'univers. Lombriser a fait l'hypothèse dramatique que cette constante peut changer.
Dans la modification de la relativité générale par Lombriser, la constante gravitationnelle reste la même dans notre univers observable mais peut varier au-delà. Il suggère un scénario multivers où il pourrait y avoir des taches de l'univers invisibles pour nous qui ont des valeurs différentes pour les constantes fondamentales.
Cette variation de gravité a donné à Lombriser une équation supplémentaire qui relie la constante cosmologique à la somme moyenne de matière à travers l'espace-temps. Après avoir pris en compte la masse estimée de toutes les galaxies, étoiles et matière noire de l'univers, il a pu résoudre cette nouvelle équation pour obtenir une nouvelle valeur pour la constante cosmologique - une qui est en accord étroit avec les observations.
À l'aide d'un nouveau paramètre, ΩΛ (oméga lambda), qui exprime la fraction de l'univers composée de matière noire, il a découvert que l'univers est composé d'environ 74% d'énergie noire. Ce nombre correspond étroitement à la valeur de 68,5% estimée à partir des observations - une amélioration considérable par rapport à l'énorme disparité trouvée par la théorie quantique des champs.
Bien que le cadre de Lombriser puisse résoudre le problème constant cosmologique, il n'y a actuellement aucun moyen de le tester. Mais à l'avenir, si des expériences d'autres théories valident ses équations, cela pourrait signifier un saut majeur dans notre compréhension de l'énergie sombre et fournir un outil pour résoudre d'autres mystères cosmiques.
