2024-03-19 13:00:28
En 2009, le physicien théoricien Erik Verlinde a proposé une reformulation radicale de la gravité. Dans sa théorie, la gravité n’est pas une force fondamentale mais plutôt une manifestation de processus cachés plus profonds. Mais au cours des 15 années qui ont suivi, cette idée n’a pas reçu beaucoup de soutien expérimental. Alors, où allons-nous ensuite ?
L’émergence est courante dans toute la physique. La propriété de température, par exemple, n’est pas une propriété intrinsèque des gaz. Au lieu de cela, c’est le résultat émergent d’innombrables collisions microscopiques. Nous disposons des outils nécessaires pour faire correspondre ces collisions microscopiques à la température ; en effet, il existe toute une branche de la physique, connue sous le nom de mécanique statistique, qui fait connaître ces connexions.
Dans d’autres domaines, les liens entre les comportements microscopiques et les propriétés émergentes ne sont pas aussi clairs. Par exemple, même si nous comprenons les mécanismes simples à l’origine de la supraconductivité, nous ne savons pas comment les interactions microscopiques conduisent à l’émergence de supraconducteurs à haute température.
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La théorie de Verlinde est basée sur ce que Stephen Hawking et Jacob Bekenstein ont observé dans les années 1970 : de nombreuses propriétés des trous noirs peuvent être exprimées en termes de lois de la thermodynamique. Cependant, les lois de la thermodynamique sont elles-mêmes issues de processus microscopiques. Pour Verlinde, c’était plus qu’une simple coïncidence et cela indiquait que ce que nous percevons comme la gravité pourrait émerger d’un processus physique plus profond.
En 2009, il publie la première version de sa théorie. Surtout, nous n’avons pas besoin de savoir quels sont ces processus plus profonds, puisque nous disposons déjà de la boîte à outils – la mécanique statistique – pour décrire les propriétés émergentes. Verlinde a donc appliqué ces techniques à la gravité et est parvenu à une formulation alternative de la gravité. Et parce que la gravité est également liée à nos concepts de mouvement, d’inertie, d’espace et de temps, cela signifie que notre univers tout entier émerge également de ces mêmes processus plus profonds.
Au début, cela n’a pas donné grand chose ; La réécriture d’une loi connue de la physique, bien qu’intéressante, ne fournit pas nécessairement des informations plus approfondies. Mais en 2016, Verlinde a élargi sa théorie en découvrant qu’un univers contenant de l’énergie sombre conduit naturellement à une nouvelle propriété émergente de l’espace, lui permettant ainsi de se replier sur lui-même dans des régions de faible densité.
Une illustration conceptuelle de la matière noire. L’image représente une région de l’espace de quelques centaines de mégaparsecs. La matière noire est une forme de matière qui ne peut pas être détectée par les télescopes car elle n’émet aucun rayonnement. On pense que la matière noire froide s’est formée pour la première fois après le Big Bang. Cette matière s’est ensuite effondrée sous son propre poids pour former de vastes halos (jaune vif) qui aspiraient la matière normale pour former de la matière visible, comme les galaxies. (Crédit image : Mark Garlick/Bibliothèque de photos scientifiques/Getty Images)
Dans l’image de la gravité émergente de Verlinde, dès que vous entrez dans des régions à faible densité – en gros, tout ce qui se trouve en dehors du système solaire – la gravité se comporte différemment de ce à quoi on pourrait s’attendre de la théorie de la relativité générale d’Einstein. À grande échelle, il existe une attraction naturelle vers l’espace lui-même, ce qui oblige la matière à s’agglutiner plus étroitement qu’elle ne le ferait autrement.
Cette idée était passionnante car elle permettait aux astronomes de trouver un moyen de tester cette nouvelle théorie. Les observateurs pourraient prendre cette nouvelle théorie de la gravité et l’intégrer dans des modèles de structure et d’évolution des galaxies pour trouver des différences entre elle et les modèles de matière noire.
Cependant, au fil des années, les résultats expérimentaux ont été mitigés. Certains premiers tests privilégiaient la gravité émergente par rapport à la matière noire en ce qui concerne les taux de rotation des étoiles. Mais des observations plus récentes n’ont trouvé aucun avantage. Et la matière noire peut également expliquer bien plus que les taux de rotation des galaxies ; des tests au sein d’amas de galaxies ont révélé que la gravité émergente était insuffisante.
Ce n’est pas la fin de la gravité émergente. L’idée est encore nouvelle et nécessite de nombreuses hypothèses dans ses calculs pour qu’elle fonctionne. Sans une théorie pleinement réalisée, il est difficile de dire si les prédictions qu’elle fait sur le comportement des galaxies et des amas représentent fidèlement ce que la gravité émergente nous dirait. Et les astronomes tentent toujours de développer des tests plus rigoureux, comme l’utilisation de données provenant du fond diffus cosmologique, pour vraiment mettre la théorie à l’épreuve.
La gravité émergente reste une idée intrigante. Si c’est exact, nous devrions remodeler radicalement notre compréhension du monde naturel et voir la gravité et le mouvement – et des concepts encore plus fondamentaux, comme le temps et l’espace – à travers le prisme de l’émergence d’interactions plus profondes et plus complexes. Mais pour l’instant, cela reste simplement une idée intrigante. Seuls le temps et des tests d’observation approfondis nous diront si nous sommes sur la bonne voie.
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