Depuis plus d’un siècle, la physique est divisée entre deux théories aussi brillantes qu’incompatibles : la relativité générale d’Einstein, qui explique la gravité et le comportement des objets à grande échelle, et la mécanique quantique, qui décrit le monde des particules infiniment petites. Aujourd’hui, une étude menée par le professeur Ginestra Bianconi, une mathématicienne à l’Université Queen Mary de Londres, propose une approche révolutionnaire pour enfin unifier ces deux piliers de la science. En utilisant un concept appelé entropie relative quantique, cette nouvelle théorie pourrait transformer notre compréhension de la gravité et de la structure même de l’Univers.
Un défi scientifique vieux de plusieurs décennies
Depuis plus d’un siècle, les physiciens tentent de comprendre comment fonctionne l’univers, mais deux théories majeures, pourtant très puissantes, semblent incompatibles. D’un côté, il y a la relativité générale, formulée par Albert Einstein en 1915. Cette théorie explique la gravité comme une courbure de l’espace-temps provoquée par les objets massifs. Imaginez un trampoline : si vous posez une boule lourde dessus, elle déforme la toile et fait rouler les objets plus légers vers elle. C’est de cette façon que la gravité agit à l’échelle cosmique, influençant le mouvement des planètes, des étoiles et même la formation des trous noirs.
De l’autre côté, la mécanique quantique, développée au début du vingtième siècle, décrit le comportement des particules à des échelles extrêmement petites, comme les atomes et les électrons. Dans ce monde-là, les règles sont très différentes : les particules peuvent être à deux endroits en même temps, se comporter à la fois comme des ondes et des objets solides, et les événements sont régis par des probabilités plutôt que par des certitudes.
Le problème, c’est que ces deux théories, bien qu’extrêmement précises dans leurs domaines respectifs, se contredisent dès qu’on tente de les combiner. Pour expliquer des situations où les effets gravitationnels et quantiques sont tous les deux importants, comme l’intérieur des trous noirs ou les tout premiers instants après le Big Bang, aucune des deux ne suffit. Trouver une gravité quantique, une théorie unique qui unifierait ces deux visions, est l’un des plus grands défis de la physique moderne.
L’idée révolutionnaire de Ginestra Bianconi : la gravité issue de l’entropie
L’étude de Ginestra Bianconi, intitulée « Gravity from Entropy » (La gravité issue de l’entropie) et publiée dans la revue Physical Review D, propose une nouvelle approche. Plutôt que de voir la gravité comme une force fondamentale, cette théorie la décrit comme un phénomène émergent lié à l’entropie relative quantique, un concept issu de la théorie de l’information quantique.
En physique, l’entropie mesure le désordre ou l’incertitude d’un système. L’entropie relative compare quant à elle deux états d’un même système et mesure la différence entre eux. Dans cette nouvelle approche, l’espace-temps n’est plus un simple tissu déformé par la matière, mais un système quantique dont la structure géométrique émerge de ces différences d’entropie.
Pour rendre cette idée plus concrète, imaginez un puzzle dont chaque pièce représente un élément d’information quantique. Plus l’entropie est élevée, plus le puzzle est désordonné. Dans cette théorie, la gravité serait l’effet résultant de la réorganisation des pièces pour réduire ce désordre, une approche radicalement différente de celle d’Einstein.
Le champ G : une clé pour comprendre la matière noire et l’expansion de l’Univers
Un élément central de cette nouvelle théorie est l’introduction du champ G, un champ auxiliaire qui joue un rôle crucial dans la dynamique de l’espace-temps. Dans les équations modifiées de la relativité générale proposées par Bianconi, le champ G agit comme un multiplicateur lagrangien, un terme mathématique utilisé pour imposer des contraintes dans un système.
Cette innovation pourrait avoir des implications majeures. D’abord, le champ G pourrait offrir une explication à la mystérieuse matière noire, cette substance invisible qui représente environ 27 % de l’univers, mais qui n’interagit pas avec la lumière et demeure non détectée directement. Ensuite, la théorie de Bianconi prédit l’émergence d’une petite constante cosmologique positive, en accord avec les observations de l’expansion accélérée de l’Univers, une caractéristique que les modèles actuels peinent à expliquer.
Vers une nouvelle ère de la physique théorique
Les travaux de Ginestra Bianconi ouvrent donc des perspectives inédites. En reliant la gravité à l’entropie quantique, cette approche pourrait permettre de construire une véritable théorie unifiée de la gravité quantique, un Graal poursuivi depuis des décennies par les physiciens. De plus, si le champ G s’avère être lié à la matière noire, cela fournirait une piste précieuse pour percer l’un des plus grands mystères de la cosmologie moderne.
Bien sûr, cette théorie reste à être testée et approfondie. Des expériences et des observations seront nécessaires pour vérifier si les prédictions issues de cette approche sont conformes à la réalité. Néanmoins, elle représente une avancée théorique majeure qui remet en question nos conceptions traditionnelles de l’espace-temps et de la gravité.
