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Newsletter Lost in Space-Time: Un univers tordu sauvera-t-il

Albert Einstein

La théorie de la relativité générale d’Albert Einstein « n’avait pas besoin d’être »

Bonjour et bienvenue dans Lost in Space-Time de novembre, le bulletin mensuel de physique qui défait le tissu de l’univers et tente de le recoudre d’une manière légèrement différente. Pour recevoir cette newsletter mensuelle gratuite dans votre boîte de réception, inscrivez-vous ici.

L’univers tordu oublié d’Einstein

Il y a une sorte d’inévitabilité dans le fait que, si vous écrivez un bulletin régulier sur la physique fondamentale, vous vous retrouverez régulièrement à parler de Albert Einstein. Autant que cela vient avec le travail, je ne m’en excuse pas non plus : c’est une figure dominante dans l’histoire non seulement de la physique fondamentale, mais de la science en général.

Un point que les historiens des sciences font parfois à propos de sa réalisation la plus monumentale, la théorie générale de la relativité, c’est que, à peu près unique, c’était une théorie qui n’avait pas à l’être. Quand vous regardez les origines de quelque chose comme celui de Charles Darwin théorie de l’évolution par sélection naturelle, par exemple – pour ne diminuer en aucune façon son accomplissement magistral – vous constaterez que d’autres personnes avaient gratté des idées similaires entourant l’origine et le changement des espèces pendant un certain temps en réponse aux archives fossiles en plein essor, entre autres découvertes.

Même celle d’Einstein relativité restreinte, le précurseur de la relativité générale qui a introduit l’idée de déformer l’espace et le temps, a répondu à un besoin clair (d’abord distinctement identifié avec l’avènement des lois de James Clerk Maxwell de électromagnétisme dans les années 1860) pour expliquer pourquoi la vitesse de la lumière semblait être une constante absolue.

Quand Einstein a présenté la relativité générale au monde en 1915, il n’y avait rien de tel. Nous avions une théorie de la gravité parfaitement fonctionnelle, celle développée par Isaac Newton plus de deux siècles plus tôt. Certes, il y avait un petit problème en ce sens que cela ne pouvait pas expliquer quelques petites oscillations dans l’orbite de Mercure, mais elles n’étaient pas de la taille qui exigeait que nous déchirons toute notre compréhension de espace-temps, la matière et la relation entre eux. Mais à peu près tout ce que nous savons (et ne savons pas) sur l’univers au sens large aujourd’hui découle de la relativité générale : l’univers du big bang en expansion et le modèle standard de cosmologie, matière noire et énergie, trous noirs, ondes gravitationnelles, tout ce que vous voulez.

Alors pourquoi est-ce que je tape sur ça ? Principalement parce que, mon garçon, avons-nous besoin d’une nouvelle idée en cosmologie maintenant – et dans une étrange tournure de l’histoire, c’est peut-être Einstein qui la fournit. je parle d’un article intrigant de l’astrophysicien Paul M. Sutter dans le magazine le mois dernier . Il traite peut-être de la plus grande faiblesse (perçue, au moins) de la relativité générale – la façon dont elle ne s’intègre pas avec d’autres éléments de la physique, qui sont tous expliqués par la théorie quantique de nos jours. L’inadéquation a beaucoup exercé Einstein, et il a passé une grande partie de ses dernières années à s’engager dans une quête infructueuse pour unifier toute la physique.

Peut-être que sa tentative la plus prometteuse est venue avec une torsion – littéralement – ​​sur la relativité générale avec laquelle Einstein a joué très tôt. En développant un langage mathématique non seulement pour la façon dont l’espace-temps se plie (qui est à la base de la création de la gravité dans la relativité) mais pour la façon dont elle se tord, il espérait créer une théorie qui expliquait également la force électromagnétique. Il a réussi dans la première partie, en créant une description de la façon dont des objets massifs et chargés pourraient tordre l’espace-temps en mini-cyclones autour d’eux. Mais cela n’a pas créé une description convaincante de l’électromagnétisme, et Einstein a discrètement abandonné la théorie.

Eh bien, ce qui est vraiment excitant, comme le décrit Sutter, c’est que cette «gravité téléparallèle» semble être de retour en force. De nombreux cosmologistes pensent maintenant que ce pourrait être une solution miracle pour expliquer certaines des caractéristiques les plus mystérieuses de l’univers d’aujourd’hui, telles que le nature de la matière noire et l’énergie noire et le période gênante de gonflage plus rapide que la lumière juste au moment du big bang qui est invoqué pour expliquer les caractéristiques de l’univers d’aujourd’hui, comme son extraordinaire douceur. Non seulement cela, mais il pourrait y avoir un moyen de tester la théorie bientôt. Je recommanderais de lire la fonctionnalité pour obtenir tous les détails, mais en attendant, c’est à peu près un développement aussi excitant que celui que vous obtiendrez en cosmologie ces jours-ci.

L’univers est-il affiné ?

Jetons un coup d’œil rapide au serveur de préimpression physique arXiv, où les dernières recherches sont mises en place. Un article qui a attiré mon attention récemment a le titre invitant « La vie, l’univers et le sens caché de tout » . C’est par Zhi-Wei Wang au College of Physics en Chine et Samuel L. Braunstein à l’Université de York au Royaume-Uni, et il traite d’une question qui préoccupe beaucoup de physiciens et de cosmologues depuis que nous avons commencé à faire des mesures détaillées de l’univers et développer des théories convaincantes pour expliquer ce que nous voyons : pourquoi tout dans l’univers (les forces des différentes forces, les masses des particules fondamentales, etc.) semblent si parfaitement réglés pour permettre l’existence d’observateurs comme nous de poser la question?

Cela a eu tendance à conduire les cosmologistes et les physiciens dans l’une des deux voies suivantes. Le premier dit que les choses sont comme elles sont parce que c’est ainsi qu’elles sont faites. Pour certains, cela se rapproche d’un argument via une conception intelligente, alias l’existence de dieu. L’autre avenue tend à être une forme de multivers argument : notre univers est tel qu’il est parce que nous sommes ici pour l’observer (nous pourrions difficilement être ici pour l’observer s’il ne l’était pas), mais il fait partie d’un sous-ensemble aléatoire de nombreux univers possibles qui se trouvent être propices à l’intelligence vie naissante.

Cet article examine de plus près une hypothèse du physicien britannique Dennis Sciama (directeur de doctorat des étoiles : parmi ses étudiants dans les années 1960 et 1970 se trouvaient Stephen Hawking, le pionnier de l’informatique quantique David Deutsch et l’astronome royal britannique Martin Rees ) que si le nôtre était un univers aléatoire, il y aurait un modèle statistique dans ses paramètres fondamentaux qui nous en donnerait la preuve. Dans cet article, les chercheurs soutiennent que la logique est en fait inversée. Dans leurs mots : « Si notre univers était aléatoire, il pourrait donner la fausse impression d’être conçu intelligemment, les constantes fondamentales semblant être réglées avec une forte probabilité que la vie émerge et se maintienne. »

Divulgation complète – J’écris quelque chose sur ce même sujet pour du nouveau scientifique Numéro du 65e anniversaire, à paraître le 20 novembre. Lire la suite là-bas !

Combler les failles quantiques

Pendant que je parle d’Einstein, je suis tombé sur l’un de mes reportages préférés sur lequel j’ai travaillé au magazine l’autre jour, et j’ai pensé qu’il valait la peine d’être partagé. Appelé « Contrôle de la réalité : combler les lacunes quantiques », il date de 2011, il y a 10 ans, mais l’idée qu’il traite remonte à bien avant cela – et est toujours très vivante.

La question fondamentale est la suivante : la théorie quantique est-elle une véritable description de la réalité, ou est-ce que ses diverses bizarreries – notamment la « intrication » d’objets quantiques sur de grandes distances – des indices de ce qui se passe dans une couche sous-jacente de la réalité non décrite par la théorie quantique (ou d’ailleurs toute autre théorie à ce jour) ? J’ai pas mal parlé de l’enchevêtrement dans la newsletter du mois dernier, donc je n’entrerai pas dans ses rouages ​​ici.

L’idée alternative de « variables cachées » expliquant le fonctionnement du monde quantique remonte à un article célèbre publié par Einstein et deux collaborateurs, Nathan Rosen et Boris Podolsky, en 1935. Cela a conduit Einstein dans un débat de longue haleine sur la nature de la théorie quantique avec un autre de ses pionniers, Niels Bohr, qui a continué de manière convenable jusqu’à la mort d’Einstein en 1955. Ce n’est que dans les années 1980 que nous avons commencé à avoir les capacités théoriques et expérimentales pour réellement opposer les deux images l’une à l’autre .

Image par défaut du nouveau scientifique

Les observatoires au sommet du volcan Teide à Tenerife ont été l’une des scènes d’un test audacieux de la réalité quantique.

Phil Crean A/ Alamy

J’aime l’histoire non seulement pour cette riche histoire, mais aussi pour la façon dont, après chaque itération des expériences – à chaque fois, montrant que la théorie quantique et l’intrication sont la « bonne » explication de ce qui se passe, quoi qu’il en soit. signifient – ​​les physiciens ont trouvé une autre faille dans les expériences qui pourraient permettre à l’idée de variable cachée d’Einstein de revenir dans le cadre.

Cela les a conduits à des exploits assez impressionnants de derring-do expérimental pour combler à nouveau les failles – la fonctionnalité s’ouvre avec un groupe de physiciens modernes tirant des photons uniques entre les observatoires de Tenerife et de La Palma dans les îles Canaries. Dans une mise à jour de l’histoire que nous avons publiée en 2018 (avec le titre assez explicite « Einstein avait tort : pourquoi la physique ‘normale’ ne peut pas expliquer la réalité » ), ils ont même reproduit le résultat avec des photons provenant de galaxies situées à des milliards d’années-lumière, prouvant que, si ce n’est l’univers entier, une bonne partie de celui-ci suit les règles quantiques. Vous ne pouvez pas tous les gagner, Einstein.

À venir

L’une des raisons pour lesquelles j’ai pensé particulièrement souvent à Einstein et à son travail ces derniers temps est que j’ai rassemblé les dernières Guide essentiel du nouveau scientifique appelé « L’univers d’Einstein ». C’est une étude de ses théories de la relativité et de toutes ces choses qui en ont découlé : l’univers du big bang et le modèle standard de la cosmologie, la matière noire et l’énergie, les ondes gravitationnelles, les trous noirs et, bien sûr, la recherche de cette théorie unificatrice insaisissable de la physique. Je viens de mettre la touche finale à Guide essentiel avec ma main gauche pendant que je tape ceci, et je pense que c’est une bonne attente que vous me trouverez beaucoup plus à ce sujet (et Einstein) le mois prochain.

Aussi dans New Scientist

1. En parlant d’univers affinés, si vous ne l’avez pas déjà fait, vous pouvez toujours rattraper celui de Brian Clegg Nouveau scientifique Conférence événementielle, « Les modèles qui expliquent l’univers », du mois dernier, disponible sur demande.

2. Si vous êtes fan de grandes idées (j’espère que c’est pourquoi vous êtes ici) et que vous aimez jeter votre filet un peu plus loin que la physique, alors un billet pour notre Série d’événements en direct Big Thinkers vous donne accès à 10 conférences des meilleurs chercheurs de tous horizons, dont l’astronome de Harvard Avi Loeb sur la recherche de la vie extraterrestre et Michelle Simmons et John Martinis sur l’informatique quantique.

3. C’est arrivé juste après ma dernière newsletter, mais il serait négligent de ne pas mentionner l’attribution du prix Nobel de cette année à trois chercheurs qui ont joué un rôle de premier plan dans l’avancement de notre compréhension des systèmes chaotiques – notamment le climat. Vous pouvez en savoir plus sur ce qu’ils ont fait ici.

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