L’espace-temps est-il une création d’acteurs bien connus ?

L'espace-temps

Des questions sur la nature de l’espace et du temps ont déconcerté l’humanité depuis au moins l’Antiquité. L’espace et le temps sont-ils séparés de la matière, créant un «conteneur» pour les mouvements et les événements se produisant avec la participation de particules, comme Démocrite l’a proposé au Ve siècle avant notre ère ?

Ou peut-être sont-ils des attributs de la matière et ne pourraient-ils exister sans lui, comme Aristote l’a suggéré un siècle plus tard ? Malgré le passage des millénaires, ces problèmes n’ont pas encore été résolus. De plus, ces deux approches, bien que contradictoires, sont profondément ancrées dans les piliers de la physique moderne.

L'espace-temps

Concept artistique de Gravity Probe B en orbite de la Terre pour mesurer l’espace-temps, une description en quatre dimensions de l’Univers incluant la hauteur, la largeur, la longueur et le temps. Crédit : NASA

La plupart des physiciens pensent que la structure de l’espace-temps est formée d’une manière inconnue à l’échelle de Planck, c’est-à-dire à une échelle proche d’un millième de milliardième de mètre. Cependant, des considérations prudentes minent cette prédiction. De nombreux arguments plaident en faveur de l’émergence de l’espace-temps à la suite de processus se déroulant au niveau des quarks et de leurs conglomérats.

Qu’est-ce que l’espace-temps ? L’arène absolue et immuable des événements ? Ou peut-être s’agit-il d’une création dynamique, émergeant d’une certaine manière sur une certaine échelle de distance, de temps ou d’énergie. Les références à l’absolu ne sont pas les bienvenues dans la physique d’aujourd’hui. On croit généralement que l’espace-temps est émergent. Toutefois, on ne sait pas exactement où se déroule le processus de son émergence. La majorité des physiciens ont tendance à supposer que l’espace-temps est créé sur l’échelle de Planck, à des distances proches d’un d’un millième de milliardième de mètre (~10-35 m).

Dans son article dans Foundations of Science, le professeur Piotr Zenczykowski, de l’Institut de physique nucléaire de l’Académie polonaise des sciences (IFJ PAN) à Cracovie, systématise les observations de nombreux auteurs sur la formation de l’espace-temps, et soutient que l’hypothèse de sa formation à l’échelle des quarks et hadrons est très raisonnable pour plusieurs raisons.

En mécanique quantique, les événements se déroulent dans une arène rigide avec un écoulement uniforme du temps. Pendant ce temps, dans la théorie générale de la relativité, la matière déforme l’espace-temps élastique (l’étire et le tord), et l’espace-temps indique aux particules comment se déplacer. En d’autres termes, dans une théorie, les acteurs entrent dans une scène déjà préparée pour jouer leurs rôles, tandis que dans l’autre, ils créent la scénographie pendant le spectacle, ce qui influence à son tour leur comportement.

En 1899, le physicien allemand Max Planck remarqua qu’avec certaines combinaisons de certaines constantes de la nature, des unités de mesure très fondamentales pouvaient être obtenues. Seulement trois constantes – la vitesse de la lumière c, la constante gravitationnelle g et la constante de Planck h – étaient suffisantes pour créer des unités de distance, de temps et de masse, égales (respectivement) à 1.62 · 10-35 m, 5.39 · 10-44 s et 2.18 · 10-5 g. Selon la croyance populaire actuelle, l’espace-temps serait créé à la longueur de Planck. En fait, il n’y a pas d’arguments de fond pour justifier la rationalité de cette hypothèse.

Nos expériences les plus sophistiquées et nos descriptions théoriques atteignent l’échelle des quarks, c’est-à-dire le niveau de 10-18 m. Alors, comment savons-nous qu’en chemin vers la longueur de Planck, une douzaine d’ordres de grandeur spatio-temporels consécutifs, toujours plus petits, conserve sa structure ? En fait, nous ne savons même pas si le concept d’espace-temps est rationnel au niveau des hadrons ! Les divisions ne peuvent pas être effectuées indéfiniment, parce qu’à un moment donné, la question de la partie suivante, plus petite, cesse tout simplement d’avoir du sens. La température en est un parfait exemple. Ce concept fonctionne très bien à l’échelle macro, mais lorsque, après des divisions subséquentes de la matière, nous atteignons l’échelle des particules individuelles, il perd sa raison d’être.

“Actuellement, nous cherchons d’abord à construire un espace-temps quantifié et discret, puis à le ‘peupler’ de matière discrète. Cependant, si l’espace-temps était un produit des quarks et des hadrons, la dépendance serait inversée – le caractère discret de la matière devrait alors renforcer la discrétion de l’espace-temps”, dit le professeur Zenczykowski.

“Planck était guidé par les mathématiques. Il voulait créer des unités à partir du moins de constantes possible. Mais les mathématiques sont une chose, et la relation avec le monde réel en est une autre. Par exemple, la valeur de la masse de Planck semble suspecte. On s’attendrait à ce qu’elle ait une valeur un peu plus caractéristique pour le monde des quanta. En attendant, cela correspond à environ un dixième de la masse d’une puce, ce qui est très certainement un objet classique.”

Puisque nous voulons décrire le monde physique, nous devrions nous pencher vers des arguments physiques plutôt que mathématiques. Ainsi, lorsque nous utilisons les équations d’Einstein, nous décrivons l’Univers à grande échelle, et il devient nécessaire d’introduire une constante gravitationnelle supplémentaire, connue sous le nom de constante cosmologique Lambda.

Par conséquent, en construisant des unités fondamentales, si nous développons l’ensemble des trois constantes de Lambda, dans le cas des masses, nous obtenons non pas une mais trois valeurs fondamentales : 1,39 – 10-65 g, 2,14 – 1056 g et 0,35 – 10-24 g. La première de ces valeurs pourrait être interprétée comme un quantum de masse, la seconde au niveau de la masse de l’univers observable, et la troisième est similaire aux masses de hadrons (par exemple, la masse d’un neutron est 1,67 – 10-24 g). De même, après prise en compte de Lambda, une unité de distance de 6,37 – 10-15 m apparaît, très proche de la taille des hadrons.

L'espace-temps

Tout comme les interactions entre les grains de sable forment une surface lisse sur la plage, l’espace-temps que nous connaissons pourrait être le résultat des relations entre les quarks et leurs conglomérats. Crédit : IFJ PAN

“Jouer à des jeux avec des constantes, cependant, peut être risqué, parce que beaucoup de choses dépendent des constantes que nous choisissons. Par exemple, si l’espace-temps était effectivement un produit de quarks et de hadrons, alors ses propriétés, y compris la vitesse de la lumière, devraient également être émergentes. Cela signifie que la vitesse de la lumière ne doit pas faire partie des constantes de base”, explique le professeur Zenczykowski.

Un autre facteur en faveur de la formation de l’espace-temps à l’échelle des quarks et des hadrons sont les propriétés des particules élémentaires elles-mêmes. Par exemple, le modèle standard n’explique pas pourquoi il y a trois générations de particules, d’où viennent leurs masses, ni pourquoi il existe des nombres quantiques internes, qui comprennent l’isospin, l’hypercharge et la couleur.

Dans l’image présentée par le professeur Zenczykowski, ces valeurs peuvent être liées à un certain espace en six dimensions créé par les positions des particules et leur quantité de mouvement. L’espace ainsi construit accorde la même importance aux positions des particules (matière) et à leurs mouvements (processus). Il s’avère que les propriétés des masses ou des nombres quantiques internes peuvent alors être une conséquence des propriétés algébriques de l’espace 6-D. De plus, ces propriétés expliqueraient aussi l’impossibilité d’observer les quarks libres.

“L’émergence de l’espace-temps peut être associée à des changements dans l’organisation de la matière se produisant à une échelle de quarks et de hadrons dans l’espace de phase plus primaire, à six dimensions. Cependant, on ne sait pas vraiment quoi faire ensuite avec cette image. Chaque étape subséquente exigerait d’aller au-delà de ce que nous savons. Et nous ne connaissons même pas les règles auxquelles nous jouons avec la Nature – nous devons encore les deviner.

Cependant, il semble très raisonnable que toutes les constructions commencent par la matière, parce que c’est quelque chose de physique et disponible expérimentalement. Dans cette approche, l’espace-temps ne serait qu’une idéalisation des relations entre les éléments de la matière”, a dit le professeur Zenczykowski.

Source : MessageToEagle.com – Traduit par Anguille sous roche

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