Notre réalité fondamentale est-elle continue ou est-elle découpée en petits morceaux discrets?
Interrogé d'une autre manière, l'espace-temps est-il lisse ou volumineux? La question est au cœur des théories les plus fondamentales de la physique, reliant la manière dont l'espace et le temps se croisent avec le matériau de notre existence quotidienne.
Cependant, il a été impossible de tester expérimentalement la nature de l'espace et du temps, en raison des énergies extrêmes nécessaires pour sonder de si petites échelles dans l'univers. C'est - jusqu'à présent. Une équipe d'astronomes a proposé un nouveau plan ambitieux pour utiliser une flotte de minuscules vaisseaux spatiaux pour détecter des changements subtils dans la vitesse de la lumière, caractéristique de certaines des théories les plus hallucinantes du cosmos. Si l'espace et le temps sont effectivement divisés en petits morceaux, la recherche pourrait ouvrir la voie à une compréhension complètement nouvelle de la réalité.
Chunky vs lisse
La question "qu'est-ce que l'espace et le temps?" remonte à des milliers d'années, et notre compréhension moderne repose sur deux piliers étrangement incompatibles: la mécanique quantique et la théorie d'Einstein de la relativité générale.
En relativité générale, l'espace et le temps sont tissés ensemble dans le tissu unifié de espace-temps, la scène en quatre dimensions qui sous-tend notre univers. Cet espace-temps est continu, ce qui signifie qu'il n'y a aucun espace nulle part; c'est tout une texture lisse. L'espace-temps n'est pas seulement une plate-forme pour que nous puissions jouer nos rôles; c'est aussi un acteur: la flexion et la déformation de l'espace-temps nous donne notre expérience de la gravité.
Dans le coin opposé, un ensemble de règles appelé mécanique quantique régit les interactions des très petites choses dans l'univers. La mécanique quantique repose sur l'idée que peu de notre expérience quotidienne est fluide et continue, mais épaisse. En d'autres termes, il est quantifié. L'énergie, l'élan, le spin et tant d'autres propriétés de la matière ne se trouvent que dans de petits paquets discrets.
De plus, la mécanique quantique elle-même se divise également en deux camps. D'une part, nous avons les particules familières de notre existence quotidienne, comme les électrons et les protons, qui interagissent et font d'autres choses intéressantes. Ce sont évidemment très gros, car ce sont des «choses» discrètes. D'un autre côté, nous avons les champs quantiques. Dans le monde subatomique, chaque type de particule a son propre champ qui se propage dans l'espace-temps; quand nous pensons aux particules, nous pensons à de petites vibrations dans leurs champs, qui à leur tour interagissent avec d'autres particules et font d'autres choses intéressantes. Les champs sont naturellement très lisses.
Un peu de temps et d'espace
Donc, nous avons quelques images fluides de notre univers et quelques grosses. En ce qui concerne l'espace-temps lui-même, nous pouvons facilement imaginer étendre les concepts de la mécanique quantique jusqu'à leur conclusion logique et décider que l'espace et le temps sont discrets: le tissu même de la réalité est divisé comme des pixels sur un écran d'ordinateur et ce que nous ressentons comme un mouvement fluide et continu n'est rien d'autre qu'une grille de pixels discrets à la plus petite échelle.
De nombreuses théories de la fusion de la mécanique quantique et de la relativité générale, comme la théorie des cordes et la gravité quantique en boucle, prédisent une certaine forme d'espace-temps discret (bien que les prédictions précises, les interprétations et les implications de cette grosseur soient encore mal comprises). Si nous pouvions trouver des preuves d'un espace-temps discret, cela non seulement réécrirait complètement notre compréhension de la réalité, mais ouvrirait également la porte à une révolution de la physique.
Cette discrétion ne peut se révéler que de la manière la plus subtile; sinon nous l'aurions repéré maintenant. Diverses théories ont prédit que si l'espace-temps était effectivement volumineux, alors la vitesse de la lumière pourrait ne pas être entièrement constante - elle pourrait changer très légèrement en fonction de l'énergie de cette lumière. La lumière à énergie plus élevée a une longueur d'onde plus courte, et lorsque la longueur d'onde devient suffisamment petite, elle peut «voir» la grosseur de l'espace-temps. Imaginez-vous marcher sur le trottoir: avec de grands pieds, vous ne remarquez pas de petites fissures ou bosses, mais si vous aviez des pieds microscopiques, vous trébucheriez sur chaque petite imperfection, ce qui vous ralentirait. Mais ce changement est incroyablement minuscule; si l'espace-temps est discret, il est à une échelle plus d'un milliard de fois plus petite que ce que nous pouvons actuellement sonder dans nos expériences les plus puissantes.
Une quête du Graal
Entrer GrailQuest: Laboratoire international d'astronomie gamma pour l'exploration quantique de l'espace-temps. Une équipe d'astronomes a soumis une proposition pour cette mission en réponse à un appel à de nouvelles idées de chasse spatio-temporelle de l'Agence spatiale européenne (ESA). Leur proposition est détaillée dans la base de données arXiv, ce qui signifie qu'elle n'a pas encore été examinée par des pairs sur le terrain.
Voici le scoop: Afin de voir si la vitesse de la lumière change avec différentes énergies, nous devons collecter une énorme quantité de lumière de la plus haute énergie de l'univers, et GrailQuest espère faire exactement cela.
GrailQuest consiste en une flotte de petits vaisseaux spatiaux simples (le nombre exact varie, de quelques dizaines seulement si les satellites sont plus gros à bien plus de quelques milliers s'ils sont plus petits) pour surveiller en permanence le ciel à la recherche de sursauts gamma. Ce sont quelques-unes des explosions les plus puissantes de l'univers. Comme leur nom l'indique, ces sursauts libèrent de grandes quantités de photons à haute énergie, alias les rayons gamma. Ces rayons gamma parcourent des milliards d'années avant d'atteindre la flotte d'engins spatiaux, qui enregistrent l'énergie des rayons gamma et les différences de synchronisation au fur et à mesure que l'éclatement se propage sur la flotte.
Avec suffisamment de précision, GrailQuest pourrait être en mesure de révéler si l'espace-temps est discret. Au moins, il a la bonne configuration: il examine la lumière de la plus haute énergie (qui est la plus affectée dans les théories qui prédisent que l'espace-temps est gros); les rayons gamma voyagent depuis des milliards d'années-lumière (permettant à l'effet de s'accumuler avec le temps); et le vaisseau spatial est assez simple pour produire en masse (afin que toute la flotte puisse voir autant d'événements que possible, partout dans le ciel).
Comment nos conceptions de la réalité changeraient-elles si GrailQuest devait trouver des preuves de la discrétion de l'espace-temps? Il est impossible de le dire - nos théories actuelles sont omniprésentes en ce qui concerne les implications. Mais quoi qu'il arrive, nous allons devoir attendre. Cette série de propositions de l'ESA doit être lancée entre 2035 et 2050. En attendant, nous pouvons débattre si le temps écoulé d'ici là est fondamentalement lisse ou volumineux.
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Paul M. Sutter est astrophysicien à Université d'État de l'Ohio, hôte de Demandez à un astronaute et Radio spatialeet auteur de Votre place dans l'univers.
