La nouvelle théorie, développée par les physiciens de l’Université d’Aalto, décrit la gravité d’une manière compatible avec le modèle standard de physique des particules, ouvrant la porte à une meilleure compréhension du début de l’univers.
« Si cela s’avère conduire à une théorie complète du champ quantique de la gravité, cela finira par donner des réponses aux problèmes très difficiles de compréhension des singularités dans les trous noirs et le Big Bang », a déclaré le Dr Mikko Partanen de l’Université Aalto.
«Une théorie qui décrit de manière cohérente toutes les forces fondamentales de la nature est souvent appelée la théorie de tout.»
«Certaines questions fondamentales de la physique restent sans réponse. Par exemple, les théories actuelles n’expliquent pas encore pourquoi il y a plus de matière que de l’antimatière dans l’univers observable.»
La clé était de trouver un moyen de décrire la gravité dans une théorie de la jauge appropriée – une sorte de théorie dans laquelle les particules interagissent entre elles à travers un champ.
« Le champ de jauge le plus familier est le champ électromagnétique », a déclaré le Dr Jukka Tulkki de l’Université Aalto.
«Lorsque les particules chargées électriquement interagissent les unes avec les autres, elles interagissent à travers le champ électromagnétique, qui est le champ de jauge pertinent.»
«Donc, lorsque nous avons des particules qui ont de l’énergie, les interactions qu’elles ont simplement parce qu’elles ont de l’énergie se produiraient à travers le champ gravitationnel.»
Un défi des physiciens confrontés à un défi est de trouver une théorie de la gravité de la jauge qui est compatible avec les théories de jauge des trois autres forces fondamentales – la force électromagnétique, la faible force nucléaire et la forte force nucléaire.
Le modèle standard de la physique des particules est une théorie de la jauge qui décrit ces trois forces, et il a certaines symétries.
« L’idée principale est d’avoir une théorie de la jauge de gravité avec une symétrie similaire à la symétrie du modèle standard, au lieu de baser la théorie sur le type très différent de symétrie space de la relativité générale », a déclaré le Dr Partanen.
Sans une telle théorie, les physiciens ne peuvent pas concilier nos deux théories les plus puissantes, la théorie des champs quantiques et la relativité générale.
La théorie quantique décrit le monde des très petites – de minuscules particules interagissant de manière probabiliste – tandis que la relativité générale décrit le monde plus gros des objets familiers et leur interaction gravitationnelle.
Ce sont des descriptions de notre univers sous différentes perspectives, et les deux théories ont été confirmées à une précision extraordinaire – mais ils sont incompatibles les uns avec les autres.
De plus, parce que les interactions gravitationnelles sont faibles, plus de précision est nécessaire pour étudier de véritables effets de gravité quantique au-delà de la relativité générale, qui est une théorie classique.
« Une théorie quantique de la gravité est nécessaire pour comprendre quel type de phénomènes il y a dans les cas où il y a un champ gravitationnel et des énergies élevées », a déclaré le Dr Partanen.
«Ce sont les conditions autour des trous noirs et dans le tout premier univers, juste après les zones du Big Bang – où les théories existantes en physique cessent de fonctionner.»
« Toujours fasciné par les très grandes questions de la physique, nous avons découvert une nouvelle approche basée sur la symétrie de la théorie de la gravité et avons commencé à développer l’idée. »
«Le travail qui en résulte a un grand potentiel pour débloquer une toute nouvelle ère de compréhension scientifique, de la même manière que la compréhension de la gravité a ouvert la voie à la création de GPS.»
Bien que la théorie soit prometteuse, le duo souligne qu’ils n’ont pas encore terminé sa preuve.
La théorie utilise une procédure technique connue sous le nom de renormalisation, une manière mathématique de traiter avec les infinies qui apparaissent dans les calculs.
Jusqu’à présent, le Dr Partanen et le Dr Tulkki ont montré que cela fonctionne jusqu’à un certain point – pour les termes dits de «premier ordre» – mais ils doivent s’assurer que les infinités peuvent être éliminées tout au long du calcul.
« Si la renormalisation ne fonctionne pas pour des termes d’ordre supérieur, vous obtiendrez des résultats infinis », a déclaré le Dr Tulkki.
« Il est donc essentiel de montrer que cette renormalisation continue de fonctionner. »
«Nous devons encore faire une preuve complète, mais nous pensons qu’il est très probable que nous réussirons.»
« Il y a encore des défis à venir, mais avec le temps et les efforts, il s’attend à ce qu’ils soient surmontés », a déclaré le Dr Partanen.
«Je ne peux pas dire quand, mais je peux dire que nous en saurons beaucoup plus à ce sujet dans quelques années.»
