Des fragments d’énergie, qui ne sont ni des ondes ni des particules, pourraient être les éléments fondamentaux de l’Univers

La matière est ce qui compose l’Univers, mais qu’est-ce qui compose la matière ?

Cette question a longtemps été délicate pour ceux qui y réfléchissent, en particulier pour les physiciens. Reflétant les tendances récentes en physique, mon collègue Jeffrey Eischen et moi-même avons décrit une nouvelle façon de penser la matière.

Nous proposons que la matière n’est pas constituée de particules ou d’ondes, comme on l’a longtemps pensé, mais – plus fondamentalement – qu’elle est constituée de fragments d’énergie…

De cinq à un

Les Grecs anciens concevaient cinq éléments constitutifs de la matière, de bas en haut : la terre, l’eau, l’air, le feu et l’éther. L’éther était la matière qui remplissait les cieux et expliquait la rotation des étoiles, telle qu’elle était observée depuis le point de vue de la Terre. Il s’agissait des premiers éléments les plus fondamentaux à partir desquels on pouvait construire un monde. Leurs conceptions des éléments physiques n’ont pas changé de façon spectaculaire pendant près de 2 000 ans.

Puis, il y a environ 300 ans, Sir Isaac Newton a introduit l’idée que toute la matière existe sous forme de points appelés particules. Cent cinquante ans plus tard, James Clerk Maxwell a introduit l’onde électromagnétique – la forme sous-jacente et souvent invisible du magnétisme, de l’électricité et de la lumière. La particule a servi d’élément de base pour la mécanique et l’onde pour l’électromagnétisme – et le public s’est mis d’accord sur la particule et l’onde comme étant les deux éléments de base de la matière. Ensemble, les particules et les ondes sont devenues les éléments constitutifs de tous les types de matière.

Il s’agissait d’une amélioration considérable par rapport aux cinq éléments des Grecs de l’Antiquité, mais elle était encore imparfaite. Dans une célèbre série d’expériences, connues sous le nom d’expériences de la double fente (fentes de Young), la lumière se comporte parfois comme une particule et à d’autres moments comme une onde. Et si les théories et les mathématiques des ondes et des particules permettent aux scientifiques de faire des prédictions incroyablement précises sur l’univers, les règles s’effondrent aux échelles les plus grandes et les plus petites.

Einstein a proposé un remède dans sa théorie de la relativité générale. En utilisant les outils mathématiques dont il disposait à l’époque, Einstein a pu mieux expliquer certains phénomènes physiques et résoudre un paradoxe de longue date concernant l’inertie et la gravité. Mais au lieu d’améliorer les particules ou les ondes, il les a éliminées en proposant la déformation de l’espace et du temps.

À l’aide d’outils mathématiques plus récents, mon collègue et moi avons démontré une nouvelle théorie qui pourrait décrire avec précision l’univers. Au lieu de fonder la théorie sur la déformation de l’espace et du temps, nous avons considéré qu’il pourrait y avoir un élément constitutif plus fondamental que la particule et l’onde. Les scientifiques comprennent que les particules et les ondes sont des opposés existentiels : Une particule est une source de matière qui existe en un seul point, tandis que les ondes existent partout sauf aux points qui les créent.

Mon collègue et moi avons pensé qu’il était logique qu’il y ait un lien sous-jacent entre elles.

Un nouvel élément constitutif de la matière peut modéliser les choses les plus grandes et les plus petites, des étoiles à la lumière. Christopher Terrell, CC BY-ND

Flux et fragments d’énergie

Notre théorie commence par une nouvelle idée fondamentale : l’énergie “coule” toujours à travers des régions d’espace et de temps.

Imaginez que l’énergie est constituée de lignes qui remplissent une région d’espace et de temps, qui entrent et sortent de cette région, sans jamais commencer, sans jamais finir et sans jamais se croiser.

En partant de l’idée d’un univers de lignes d’énergie en mouvement, nous avons cherché un élément constitutif unique pour l’énergie en mouvement. Si nous pouvions trouver et définir un tel élément, nous espérions pouvoir l’utiliser pour faire des prédictions précises sur l’univers à la plus grande et à la plus petite échelle.

Il y avait de nombreux blocs de construction parmi lesquels choisir mathématiquement, mais nous avons cherché celui qui avait les caractéristiques à la fois de la particule et de l’onde – concentré comme la particule, mais aussi réparti dans l’espace et le temps comme l’onde. La réponse était un bloc de construction qui ressemble à une concentration d’énergie – un peu comme une étoile – dont l’énergie est la plus élevée au centre et qui diminue en s’éloignant du centre.

À notre grande surprise, nous avons découvert qu’il n’y avait qu’un nombre limité de façons de décrire une concentration d’énergie qui circule. Parmi celles-ci, nous en avons trouvé une seule qui correspond à notre définition mathématique du flux. Nous l’avons appelée un fragment d’énergie. Pour les amateurs de mathématiques et de physique, il est défini comme suit : A = -⍺/r où ⍺ est l’intensité et r est la fonction de distance.

En utilisant le fragment d’énergie comme élément constitutif de la matière, nous avons ensuite construit les mathématiques nécessaires pour résoudre les problèmes de physique. L’étape finale était de les tester.

Retour à Einstein, ajout de l’universalité

La relativité générale a été la première théorie à prédire avec précision la légère rotation de l’orbite de Mercure. Rainer Zenz via Wikimedia Commons

Il y a plus de 100 ans, Einstein s’était appuyé sur deux problèmes légendaires de la physique pour valider la relativité générale : le très léger décalage annuel – ou précession – de l’orbite de Mercure et l’infime courbure de la lumière lorsqu’elle passe devant le Soleil.

Ces problèmes se situaient aux deux extrêmes du spectre des dimensions. Ni les théories ondulatoires ni les théories particulaires de la matière ne pouvaient les résoudre, mais la relativité générale l’a fait. La théorie de la relativité générale a déformé l’espace et le temps de telle sorte que la trajectoire de Mercure s’est déplacée et que la lumière s’est courbée précisément dans les proportions observées dans les observations astronomiques.

Si notre nouvelle théorie devait avoir une chance de remplacer la particule et l’onde par un fragment présumé plus fondamental, nous devrions être en mesure de résoudre ces problèmes avec notre théorie également.

Pour le problème de la précession du mercure, nous avons modélisé le Soleil comme un énorme fragment d’énergie stationnaire et le Mercure comme un fragment d’énergie plus petit, mais toujours énorme, qui se déplace lentement. Pour le problème de la courbure de la lumière, le Soleil a été modélisé de la même manière, mais le photon a été modélisé comme un minuscule fragment d’énergie se déplaçant à la vitesse de la lumière. Dans les deux problèmes, nous avons calculé les trajectoires des fragments en mouvement et obtenu les mêmes réponses que celles prédites par la théorie de la relativité générale. Nous étions stupéfaits.

Nos premiers travaux ont démontré qu’un nouveau bloc de construction est capable de modéliser avec précision des corps allant de l’énorme au minuscule. Là où les particules et les ondes s’effondrent, le fragment du bloc de construction énergétique tient bon. Ce fragment pourrait être un bloc de construction unique et potentiellement universel à partir duquel modéliser mathématiquement la réalité – et actualiser la façon dont les gens pensent aux blocs de construction de l’Univers.

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Source : The Conversation – Traduit par Anguille sous roche