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Unifier la mécanique quantique avec la relativité générale d’Einstein


lundi 20 janvier 2020, par Rock’Astres

Article de Norma G.Sanchez paru sur researchoutreach.org traduit de l’anglais par Claire Henrion

Cet article a particulièrement retenu mon attention en raison de sa résonance/"raisonance" avec la vision SORI’Astres des quatre forces fondamentales.
Pour en savoir plus, c’est à la dia 34 du diaporama "SORI’Astres"qui se trouve en tête de page ici
(activer Flash Player si nécessaire), mais il vaut mieux avoir regardé le début avant -)

La nature quantique de la gravité est une énigme qui échappe même aux plus brillants physiciens depuis de nombreuses décennies.

Aujourd’hui, le Dr Norma G. Sanchez, du laboratoire LERMA-Observatoire de Paris

et directrice de l’Ecole Internationale Daniel Chalonge – Hector de Vega, décrit une solution possible.

Son approche prend la forme d’une théorie générale,
intégrant à la fois la mécanique quantique et la théorie d’Einstein de la relativité générale.

Si ses résultats sont corrects, les chercheurs pourraient faire un pas en avant dans la connaissance
en comprenant comment la physique des plus petites échelles est compatible avec celle des échelles cosmologiques.

La question de savoir si la lumière est une onde ou une particule déconcerte les physiciens depuis le 17ème siècle.

Le problème est apparu pour la première fois lorsqu’Isaac Newton a développé sa théorie du « corpuscule »,
qui décrit les particules de lumière comme ne devant se déplacer qu’en ligne droite, tel le reflet dans un miroir.

En même temps, cependant, d’autres physiciens, dont Christiaan Huygens et Thomas Young ont proposé
que la lumière se propage sous forme d’onde, car elle affiche des propriétés comme la diffraction et l’interférence.

En fait, ni l’une ni l’autre de ces théories ne sont nécessairement « fausses »,

car elles concordent toutes les deux avec des observations expérimentales lorsque le bon contexte est appliqué.

Sur des échelles quantiques, la lumière voyage dans des paquets que nous appelons maintenant des photons,
mais suit également de façon fiable les équations de Maxwell, qui décrivent la dynamique des ondes électromagnétiques classiques.

Pour expliquer comment les deux théories peuvent être correctes en même temps,

les physiciens avaient besoin d’un moyen d’unifier l’électrodynamique classique et la physique quantique
dans une théorie plus profonde et plus englobante.

Connue par les physiciens comme « électrodynamique quantique »,
la théorie n’était pas simple à développer, mais elle a néanmoins été réalisée.

Généralisation de la physique classique

Vers le début du 20ème siècle, plusieurs physiciens ont commencé à travailler sur des théories révolutionnaires
pour expliquer pourquoi la matière semble se comporter différemment à des échelles extrêmement petites.
Dans les décennies suivantes, le domaine résultant de la mécanique quantique a résolu de nombreuses questions
auxquelles la physique classique n’avait pas les moyens de répondre.
En fin de compte, le succès de la théorie découle du fait que la théorie quantique est une théorie « généralisée »,
dont la physique classique n’est qu’une branche spécialisée.

Cela signifie que même si la physique semble être non classique à l’échelle quantique,
des comportements classiques émergent à plus grande échelle,
où les processus quantiques deviennent beaucoup moins pertinents dans l’ensemble.
En fin de compte, la mécanique quantique unit les explications des comportements physiques qui sont observés à diverses échelles.
Pourtant, malgré les succès de la théorie quantique, les physiciens se rendent compte depuis un certain temps
que même la mécanique quantique n’est pas assez générale
pour expliquer toute la physique que nous avons observée dans l’univers.

L’incomplétude de la gravité

Encore une fois, les effets de la gravité, initialement énoncés par Newton,
peuvent être décrits avec précision dans de nombreuses situations en utilisant la physique classique seule.
Cependant, ces théories sont incapables d’expliquer pleinement tous les phénomènes observés par les astronomes.
Albert Einstein résolvait cette question par sa théorie de la relativité générale.
Ses équations ont généralisé la gravité dans une théorie plus englobante ;
celle d’un modèle géométrique qui unit l’espace et le temps, que l’on nomme "espace-temps".

cône de lumière quantique/classique

Fig. 1 (à gauche) : Le cône de lumière quantique dans un diagramme espace-temps (le temps est l’axe vertical)
Fig. 2 (à droite) : Le cône de lumière classique connu (futur et passé) de la relativité classique dans un diagramme espace-temps est un cas particulier de la Fig. 1.
Copyright Norma Sanchez.

Pourtant, bien que la théorie d’Einstein ait été suffisamment solide pour étayer
jusqu’aux plus récentes observations astronomiques, elle semble être complètement incompatible avec la mécanique quantique.
Pour les physiciens, cela nécessite une généralisation encore plus profonde,
que l’on a nommée préventivement « gravité quantique ».
Dans ses recherches, le Dr Sanchez vise à élaborer une telle théorie,
dans laquelle la mécanique quantique et la relativité générale sont des branches particulières, contenues à leurs échelles appropriées.
Pour ce faire, elle a incorporé des théories physiques qui ont émergé depuis les célèbres équations d’Einstein.
Le point clé de son approche est qu’au lieu de partir de la gravité et de la quantifier,
elle part de la théorie quantique et l’étend aux hautes échelles d’énergie
où la gravité et les effets quantiques sont de même importance.

Le Dr Sanchez utilise comme théorie standard, la gravité « semi-classique » qui ressort de ses propres théories dans des situations particulières.

S’appuyer sur une théorie intermédiaire

Plus tard au 20ème siècle, une grande variété de découvertes intrigantes sur la nature de notre univers a commencé à émerger.
Notamment les célèbres explications de Stephen Hawking sur l’évaporation des trous noirs,
ainsi que le rayonnement du fond diffus cosmologique
– une faible source de lumière trouvée dans tout le ciel, qui indique la structure de densité de tout l’univers.

Ces théories sont réunies par une approximation : la matière se comporte de manière quantique,
mais se meut selon une description classique de l’espace-temps.
Connu sous le nom de gravité « semi-classique », ce modèle sert de pont
entre les théories séparées de la mécanique quantique et de la relativité générale, et une théorie unifiée de la gravité quantique.
Pour cette raison, le Dr Sanchez l’utilise comme une théorie standard ;
elle émerge de ses propres théories dans des situations particulières.

La théorie de la relativité générale
d’Einstein a résolu de nombreux problèmes liés à la gravité, mais pas tous

Extension de la dualité classique-quantique

Alors que les théories qui intègrent la gravité semi-classique antérieures décrivent de vastes structures astronomiques,
les recherches du Dr Sanchez les ramènent à des échelles quantiques.
Pour décrire comment la gravité pourrait fonctionner à ce régime,
elle part de la dualité classique-quantique de la théorie quantique et l’étend à travers et au-delà de l’échelle de Planck.
C’est là que se produit une unification de trois constantes physiques fondamentales :
la constante de Planck, qui provient de la mécanique quantique ;
la constante gravitationnelle de la gravitation classique de Newton ;
et la vitesse de la lumière, qu’Einstein a prouvé être constante avec la relativité générale.

Le Dr Sanchez a maintenant initié une théorie qui intègre ces trois constantes dans une structure unifiée.
Ce faisant, la propriété de la dualité « onde-gravité des particules », ou de la dualité « gravité quantique classique », émerge.
Si les calculs du Dr Sanchez sont exacts, ils pourraient apporter une solution au casse-tête qui échappe aux physiciens depuis des siècles.

Résultats émergents de la généralisation

Dans la théorie universelle du Dr Sanchez, la dualité onde-particule connue de la physique quantique
apparaît comme un cas particulier dans les bonnes circonstances plutôt que comme une règle générale.
Cela signifie qu’au lieu d’être en contradiction l’une avec l’autre,
les deux théories - la lumière est ondulatoire ET particulaire-
sont simplement des branches spéciales de la même théorie, plus profondément enracinée.

Cela permet également l’émergence de propriétés, y compris la dualité classique-quantique de l’espace-temps,
dont la nature quantique est restée très insaisissable jusqu’à présent.
En outre, le Dr Sanchez affirme qu’émerge un domaine quantique entièrement nouveau,
qui ne relève pas de la description classique et qui donne aux physiciens une description plus complète des propriétés de l’espace-temps.
Dans ce domaine, des niveaux discrets d’espace-temps apparaissent à l’échelle quantique de Planck.
Sur des échelles macroscopiques classiques, les comportements collectifs de ces niveaux
apparaissent indistincts du continuum espace-temps que les physiciens connaissent mieux.

transformer
notre compréhension du fonctionnement de l’univers

Redessiner le cône de lumière

Un résultat particulièrement important de cette théorie est l’émergence inattendue d’un « cône de lumière quantique »,
qui n’apparaît pas dans la description classique de l’univers.
Dans la relativité générale, un cône de lumière décrit le chemin emprunté par la lumière émergeant d’un point singulier dans le temps et l’espace ;
ainsi que tous les chemins empruntés par la lumière qui atteint le point où elle se manifeste.
La forme du cône apparaît puisque toute lumière doit atteindre la même distance du point à un moment donné, quelle que soit sa direction.
La limite du cône se pose parce que la vitesse de la lumière est la vitesse la plus élevée possible dans tout l’univers.

L’émergence inattendue d’un « cône de lumière quantique »

Dans la théorie du Dr Sanchez, il y a, dans le nouveau cône de lumière quantique,
un petit espace entre les extrémités des deux cônes face à face ;
ils apparaissent alors en forme d’hyperbole au lieu d’être en pointe.
Des propriétés quantiques émergent alors dans cet espace, dans la région de temps et d’espace qui entoure immédiatement la source de rayonnement.
Sur des échelles plus grandes, où les effets quantiques ne sont plus pertinents, le cône de lumière classique réapparaît,
permettant finalement aux deux théories précédentes de fonctionner en harmonie l’une avec l’autre.

La dualité classique-quantique dans les trous noirs

Enfin, le Dr Sanchez a appliqué sa théorie de la dualité quantique classique aux trous noirs,
dont le fonctionnement interne est masqué par un « horizon d’événements » duquel la lumière ne peut s’échapper.
Jusqu’à présent, cela signifie que la nature physique de l’intérieur des trous noirs a complètement échappé aux astronomes.

Selon le Dr Sanchez, les régions externes des trous noirs sont soit classiques, soit semi-classiques,
tandis que les comportements de leurs intérieurs sont entièrement régis par la mécanique quantique.
L’horizon des événements disparaît au niveau quantique, une « frontière quantique » émerge,
à laquelle les intérieurs et extérieurs des trous noirs deviennent les mêmes sur les échelles quantiques.
De plus, la singularité centrale espace-temps classique
– le point central d’un trou noir où la courbure a été théorisée pour devenir infinie, est évitée dans ce cas.
Selon le Dr Sanchez, la singularité doit disparaître au niveau quantique,
pour rester en cohérence avec le lissage des singularités sur les échelles quantiques.

Une transformation de la compréhension

Au cours des dernières décennies, des solutions potentielles à la gravité quantique
et plusieurs types de dualités mathématiques ont été vivement débattues,
tout en laissant planer le doute sur la nécessité de repenser notre compréhension fondamentale de la physique.
Le Dr Sanchez a compris que c’est la dualité onde-particule physique et universelle de la physique quantique qui est à la racine de la solution.
Finalement, une idée unifiée de la nature quantique des phénomènes à l’échelle astronomique pourrait transformer
notre compréhension du fonctionnement de l’univers et préparer le terrain pour une nouvelle ère passionnante de physique théorique et de cosmologie.

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