Einstein se serait-il trompé concernant la gravité ? Exploration des lacunes de la relativité

Depuis plus d’un siècle, la relativité générale d’Einstein a été éprouvée à moult reprises, décrivant des phénomènes gravitationnels avec une étonnante précision. Cependant, elle présente des lacunes entravant par exemple son application à la singularité gravitationnelle des trous noirs. Des physiciens suggèrent que pour pallier ce problème, la relativité ne devrait peut-être pas être considérée comme « la théorie gravitationnelle définitive ».

Selon les modèles théoriques décrivant la singularité à l’intérieur des trous noirs, la notion d’espace-temps ne s’y appliquerait plus, tandis que des forces telles que la densité énergétique et la pression gravitationnelle y deviennent infinies. Cela suggère que la gravité selon la relativité ne s’y applique pas, cette dernière devant donc être calculée par le biais d’autres théories.

En effet, alors que la relativité s’applique convenablement aux 3 forces fondamentales de l’Univers (l’interaction nucléaire forte et faible et l’interaction électromagnétique), elle présente des lacunes non négligeables quant à la 4^e force, notamment l’interaction gravitationnelle. Les scientifiques n’ont réussi à l’éprouver correctement que dans les environnements à faible gravité, c’est-à-dire au niveau d’une infime partie de l’Univers.

Relativité : la théorie gravitationnelle non définitive ?

Deux physiciens de l’Université de Bishop (au Canada) et de l’École polytechnique fédérale de Zurich (EPFZ) suggèrent — comme d’autres physiciens théoriciens — que la singularité gravitationnelle à l’intérieur des trous noirs pourrait être résolue par le biais de la physique quantique — pouvant s’appliquer à de très petites échelles.

L’hypothèse repose sur deux principes : les particules ponctuelles ne respectent pas les lois de la physique conventionnelle et la valeur de certaines paires de valeurs n’est jamais déterminée avec précision (par exemple la position et la vitesse d’une particule). Dans cette vision, les particules sont davantage considérées comme étant des ondes et non des points. À petite échelle, elles se comporteraient ainsi telles des ondes de matière.

Cela signifie qu’une théorie combinant la relativité et la physique quantique pourrait potentiellement résoudre le problème de singularité des trous noirs. Cependant, les tentatives visant à combiner ces deux principes induisent obligatoirement des incohérences concernant l’interaction gravitationnelle. Cela suggère que la gravité d’Einstein n’est peut-être pas une théorie gravitationnelle correcte.

D’un autre côté, le modèle standard de la cosmologie suggère l’existence de l’énergie noire, qui aurait des propriétés permettant de résoudre les incohérences gravitationnelles. Connu sous le nom de modèle Λ-Cold Dark Matter (ΛCDM), Λ (aussi appelée constante cosmologique d’Einstein) étant la constante représentant cette énergie. Einstein avait introduit cette valeur dans ses équations de ses théories de la relativité afin de combler les lacunes mathématiques initiales.

En effet, l’énergie noire et la matière noire ont été théorisées afin d’expliquer certaines observations, telles que l’accélération de l’expansion de l’Univers. Bien qu’il ait permis d’ajuster un grand nombre d’équations cosmologiques, le modèle ΛCDM demeure considérablement incomplet (d’un point de vue théorique). La raison est que bien que cette énergie semble englober la grande majorité du budget énergétique de l’Univers, sa nature ainsi que sa véritable existence figurent parmi les plus grandes énigmes cosmologiques. Cela serait le premier signe suggérant que la relativité ne devrait pas être considérée comme la théorie gravitationnelle définitive.

Des théories alternatives constituant un défi de taille

Selon le duo de physiciens (précédemment mentionné), le problème pourrait probablement provenir d’une tentative excessive d’adapter la relativité aux observations cosmologiques, et du fait que l’énergie noire pourrait ne pas exister du tout.

Il ne s’agit pas de la première remise en question de la relativité d’Einstein, qui découle désormais sur de nombreuses théories gravitationnelles alternatives. L’une des plus populaires est la « gravité scalaire-tensorielle », qui introduit une seule valeur supplémentaire, notamment un champ scalaire (une fonction de plusieurs variables qui associe un seul nombre à chaque point de l’espace), au modèle d’Einstein. Cette théorie aboutit à des prédictions différentes de celles de la relativité, telles que la déviation des rayons lumineux par les corps massifs (effet Shapiro).

Les théories alternatives sont cependant confrontées à un phénomène non négligeable, connu sous le nom « d’effet caméléon ». Comme son nom l’indique, les théories sont « camouflées » et peuvent être confondues avec celle de la relativité dans les environnements à haute densité, tels que les environnements stellaires. En revanche, elles s’en écartent considérablement au sein d’environnements à faible densité, soit à de plus grandes échelles cosmologiques. Les scientifiques se consacrent désormais à l’élaboration de théories alternatives pouvant se démarquer de la relativité, notamment en ciblant l’étude d’environnements où la gravité est extrêmement élevée — dont les trous noirs et les étoiles à neutrons.