Gravité : vers une théorie du tout

Une nouvelle approche de la gravité pourrait aider à combler le fossé persistant entre cette force et la mécanique quantique. Les physiciens Mikko Partanen et Jukka Tulkki, de l’Université Aalto en Finlande, ont proposé une nouvelle perspective sur la gravité qu’ils affirment compatible avec le Modèle Standard de la physique des particules, qui décrit les trois autres forces fondamentales de l’Univers : les forces forte, faible et électromagnétique.

Bien que cela ne constitue pas encore une théorie complète de la gravité quantique, cela pourrait représenter une avancée significative en ce sens.

« Si cela mène finalement à une théorie quantique des champs unifiée de la gravité, cela pourrait un jour apporter des solutions à des problèmes complexes comme la singularité des trous noirs et l’origine du Big Bang », explique Partanen.

La quête insaisissable d’une théorie unifiée

Un cadre unifié capable d’expliquer toutes les forces fondamentales de la nature est souvent appelé « théorie du tout ». De nombreuses questions fondamentales en physique restent sans réponse — par exemple, les modèles actuels ne parviennent toujours pas à expliquer pourquoi l’Univers observable contient plus de matière que d’antimatière.

La gravité demeure le principal obstacle à une compréhension claire et unifiée du fonctionnement de l’Univers. En tant que quatrième force fondamentale, et la plus faible, elle ne s’intègre pas aisément avec les trois autres. La théorie quantique explique efficacement le comportement de la matière à des échelles extrêmement petites — comme les atomes et les particules subatomiques — mais échoue à plus grande échelle, là où la gravité domine.

À l’inverse, la physique classique et la relativité générale décrivent précisément la gravité à l’échelle cosmique, mais ne rendent pas compte des phénomènes quantiques. Malgré leur incompatibilité, ces deux cadres décrivent avec succès des aspects de l’Univers, ce qui pousse les scientifiques à penser qu’il doit exister une théorie plus profonde capable de les unifier.

Progrès progressifs vers une théorie unifiée.

Étant donné la difficulté du problème, il est peu probable qu’il soit résolu par une seule percée ; les progrès se feront plutôt par une série d’avancées graduelles mais significatives. L’un de ces pas, réalisé par Partanen et Tulkki, consiste à encadrer la gravité dans le concept de jauge — une idée fondamentale de la théorie quantique des champs utilisée pour décrire le comportement des particules dans un champ donné.

Un champ électromagnétique est un exemple courant de champ de jauge — ce qui s’applique également au champ gravitationnel.

« Le champ électromagnétique est le champ de jauge le plus connu, » explique Tulkki. « Lorsque des particules chargées électriquement interagissent, elles le font par l’intermédiaire de ce champ, qui sert de jauge correspondante. »

« De la même manière, lorsque les particules possèdent de l’énergie, leurs interactions — du fait de cette énergie — ont lieu via le champ gravitationnel. »

Intégrer la gravité au modèle standard

Le Modèle standard est une théorie de jauge qui décrit les interactions forte, faible et électromagnétique, et qui est définie par des symétries particulières. Pour rapprocher davantage la théorie de la gravité du Modèle standard, Partanen et Tulkki ont cherché à intégrer ces symétries dans un cadre fondé sur la notion de jauge appliquée à la gravité. Leurs résultats publiés sont encourageants.

« Notre cadre rapproche la théorie de jauge de la gravité de celles du Modèle standard bien plus que les approches traditionnelles de jauge gravitationnelle, » notent les auteurs dans leur article.

Bien que ce travail soit encore loin d’aboutir à une théorie complète de la gravité quantique, il ouvre une voie prometteuse qui pourrait jouer un rôle clé dans la résolution de l’une des questions les plus ardues de la physique.

Dans cet esprit, Partanen et Tulkki encouragent d’autres chercheurs à contribuer au développement continu de cette théorie. L’article actuel pose une base solide, mais sa progression nécessitera d’importants travaux théoriques et des tests rigoureux.

« Une compréhension globale de l’effet de la gravité unifiée sur les théories des champs, » soulignent les auteurs, « ne pourra émerger qu’au terme de recherches approfondies à venir. »

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Lire l’article original sur :  Sciencealert

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