Depuis des siècles, les physiciens s’attachent à percer les secrets de la matière. Des anciens Grecs à Newton en passant par Einstein et Maxwell, ces scientifiques de renom ont tous tenté d’identifier le constituant le plus fondamental de la matière qui nous entoure. Avec la mécanique quantique, la théorie de la dualité onde-corpuscule a proposé des éléments de réponse à cette question. Avec l’avènement de la théorie quantique des champs, du Modèle Standard et de la théorie des supercordes, plusieurs éléments fondamentaux ont été proposés. Et récemment, deux physiciens théoriciens ont également suggéré une autre hypothèse : la matière pourrait être fondamentalement composée de fragments d’énergie.
Il y a environ 300 ans, Isaac Newton a introduit l’idée que toute matière existe en des points appelés particules. Cent cinquante ans plus tard, James Clerk Maxwell a introduit l’onde électromagnétique. La particule a servi de bloc de construction pour la mécanique et l’onde pour l’électromagnétisme — et la science s’est arrêtée sur la particule et l’onde comme les deux blocs de construction de la matière. Ensemble, les particules et les ondes sont devenues les éléments constitutifs de toutes sortes de matières.
Ce fut une grande amélioration par rapport aux cinq éléments des Grecs de l’Antiquité, mais elle était toujours imparfaite. Dans une célèbre série d’expériences, connue sous le nom d’expériences à double fente, la lumière agit parfois comme une particule et à d’autres moments comme une onde. Et tandis que les théories et les mathématiques des ondes et des particules permettent aux scientifiques de faire des prédictions incroyablement précises sur l’Univers, les règles s’effondrent aux échelles les plus grandes et les plus minuscules.
Einstein a proposé une solution dans sa théorie de la relativité générale. En utilisant les outils mathématiques dont il disposait à l’époque, Einstein a pu mieux expliquer certains phénomènes physiques et également résoudre un paradoxe de longue date lié à l’inertie et à la gravité. Mais au lieu d’améliorer les particules ou les ondes, il les a éliminées en proposant la déformation de l’espace et du temps.
Un mécanisme sous-jacent à la dualité onde-corpuscule
En utilisant de nouveaux outils mathématiques, les auteurs de l’article paru dans la revue Physics Essays ont proposé une nouvelle théorie qui pourrait décrire avec précision l’Univers. Au lieu de baser la théorie sur la déformation de l’espace et du temps, ils ont considéré qu’il pourrait y avoir un bloc de construction plus fondamental que la particule et l’onde.
Les scientifiques comprennent que les particules et les ondes sont des opposés existentiels : une particule est une source de matière qui existe en un seul point, et les ondes existent partout sauf aux points qui les créent. Cependant, les deux physiciens sont partie de l’hypothèse suivante : il devrait y avoir un mécanisme sous-jacent liant ces deux représentations physiques.
Fragments d’énergie : ils seraient à la base de la matière
La théorie commence par une nouvelle idée fondamentale : l’énergie « circule » toujours à travers les régions de l’espace-temps. Pensez à l’énergie comme étant constituée de lignes qui remplissent une région de l’espace et du temps, entrant et sortant de cette région, ne commençant jamais, sans fin et ne se croisant jamais.
En partant de l’idée d’un univers de lignes d’énergie fluides, les auteurs ont recherché un seul élément constitutif de l’énergie en mouvement. En trouvant et définissant une telle chose, ils espéraient pouvoir l’utiliser pour faire des prédictions précises sur l’Univers à la plus grande et la plus petite échelle. Il y avait de nombreux blocs de construction parmi lesquels choisir mathématiquement, mais les physiciens en ont recherché un qui avait à la fois les caractéristiques de la particule et de l’onde — concentré comme la particule mais également réparti dans l’espace-temps comme l’onde.
L’élément choisi est un bloc de construction qui ressemble à une concentration d’énergie ayant l’énergie la plus élevée au centre, et qui diminue de plus en plus loin du centre. Les auteurs ont découvert qu’il n’y avait qu’un nombre limité de façons de décrire une concentration d’énergie qui circule. Parmi celles-ci, une seule fonctionnait conformément à la définition mathématique du flux.
Ils l’ont appelé fragment d’énergie. Cet élément est défini comme A = -⍺/r, où ⍺ est l’intensité et r est la fonction de distance. En utilisant le fragment d’énergie comme élément constitutif de la matière, les chercheurs ont développé les mathématiques nécessaires pour résoudre des problèmes de physique. La dernière étape consistait ainsi à tester ce nouveau mécanisme.
Une hypothèse compatible avec les prédictions de la relativité générale
Il y a plus de 100 ans, Einstein s’était tourné vers deux problèmes de la physique pour valider la relativité générale : la précession dans l’orbite de Mercure et la minuscule courbure de la lumière lorsqu’elle passe devant le Soleil. Ces problèmes se situaient aux deux extrêmes du spectre des tailles. Ni les théories des ondes ni celles des particules de la matière ne pouvaient les résoudre, mais la relativité générale l’a fait.
La théorie de la relativité générale admet la déformation de l’espace-temps pour expliquer le déplacement de la trajectoire de Mercure et la courbure de la lumière dans les proportions exactes définies par les observations astronomiques. Si la nouvelle théorie devait avoir une chance de remplacer la particule et l’onde par un fragment plus fondamental, elle devrait également être en mesure de résoudre ces problèmes.
Pour le problème de la précession de Mercure, les auteurs ont modélisé le Soleil comme un énorme fragment stationnaire d’énergie et Mercure comme un fragment d’énergie lent plus petit, mais toujours très grand. Pour le problème de la courbure de la lumière, le Soleil a été modélisé de la même manière, mais le photon a été modélisé comme un minuscule fragment d’énergie se déplaçant à la vitesse de la lumière. Dans les deux problèmes, les chercheurs ont calculé les trajectoires des fragments en mouvement et obtenu les mêmes réponses que celles données par la théorie de la relativité générale.
Vidéo présentant le travail des chercheurs :