Une théorie oubliée d’Einstein pourrait-elle résoudre la crise de la cosmologie ?

Il y a des décennies, Albert Einstein a élaboré une théorie selon laquelle l’espace ne fait pas que se courber, mais subit aussi une torsion. Il s’avère que cette idée — baptisée théorie de la gravité téléparallèle —, délaissée par la communauté scientifique au profit de la relativité générale et de la théorie quantique, pourrait résoudre plusieurs des problèmes majeurs de la cosmologie qui se posent aujourd’hui.

Au milieu de sa carrière, Albert Einstein est devenu convaincu que sa grande théorie de la relativité générale — qui décrit la gravitation non pas comme une force, mais comme la manifestation de la courbure de l’espace-temps — avait raté quelque chose. Oui, l’espace s’est déformé et courbé, mais pas comme il l’avait pensé au départ. En tenant compte de la véritable torsion de l’espace, il était possible, pensait-il, d’aboutir à une grande théorie unifiée de la physique, soit l’hypothétique « théorie du tout ».

Le physicien ne s’est toutefois pas attardé davantage sur cette idée et elle est ainsi tombée dans l’oubli. Mais aujourd’hui, près d’un siècle plus tard, certains problèmes astrophysiques insolubles (tels que la matière et l’énergie noires, entre autres) amènent les scientifiques à remettre en question toutes les théories précédemment établies et admises ; peut-être que la clé de tous ces problèmes inexpliqués réside dans une autre compréhension de l’espace. Ils pourraient ainsi être amenés à reconsidérer la théorie oubliée d’Einstein.

Une nouvelle théorie de la gravité incluant la torsion de l’Univers

Il apparaît aujourd’hui que si l’espace subit une torsion en plus d’une courbure, bon nombre des problèmes les plus complexes de la physique pourraient bien disparaître.

Selon le physicien John Wheeler, la théorie de la relativité d’Einstein, élaborée en 1915, peut se résumer en quelques mots : « L’espace-temps dit à la matière comment se déplacer ; la matière dit à l’espace-temps comment se courber ». Une manière de visualiser mentalement cette théorie de la relativité consiste à représenter l’espace-temps en trois dimensions comme une toile de trampoline tendue se déformant sous le poids des objets que l’on y pose : si la toile est bien tendue, un objet léger n’engendrera quasiment aucune déformation et roulera en ligne droite ; en revanche, si l’on ajoute un objet plus lourd au centre, il va « s’enfoncer » dans la toile, et l’objet plus léger va avoir tendance à dévier vers cet objet lourd.

En d’autres termes, la présence de matière (d’une masse) modifie la géométrie de l’espace-temps et cette déformation indique à son tour à la matière comment se déplacer. Autre élément clé de la relativité générale : le principe d’équivalence, selon lequel les effets d’un champ gravitationnel sont localement identiques aux effets d’une accélération du référentiel de l’observateur (gravité et accélération sont indiscernables).

Puis, dans les années 1920, Einstein et d’autres physiciens théoriciens jetaient les bases de la théorie quantique, qui a permis de décrire le comportement des atomes et des particules subatomiques, leurs interactions, ainsi que certaines propriétés du rayonnement électromagnétique. Il découle de cette théorie que pour une particule donnée, il est impossible de connaître simultanément sa position et sa vitesse exactes (c’est le principe d’incertitude) — une incertitude qu’Einstein ne pouvait accepter.

C’est ainsi qu’il a commencé à travailler sur une théorie alternative de l’électromagnétisme. En relativité générale, Einstein avait découvert que l’utilisation d’une version 4D de la courbure pour décrire l’espace-temps fonctionnait parfaitement. Son idée était de développer une nouvelle version de sa théorie en utilisant la torsion et vérifier si cela pouvait expliquer à la fois la gravité et l’électromagnétisme (ce dernier étant régi par les équations de Maxwell).

Selon cette nouvelle hypothèse, les objets massifs et les objets chargés provoqueraient une torsion de l’espace-temps sous eux, de manière légèrement différente : l’une donnant lieu à l’électromagnétisme et l’autre à la gravité. Cette théorie, connue sous le nom de « gravité téléparallèle », a été publiée en 1928. Néanmoins, elle n’a finalement pas réussi à expliquer l’électromagnétisme de manière convaincante.

Une conséquence de la théorie des cordes ?

La relativité générale et la théorie quantique bénéficiant de toute l’attention de la communauté scientifique, l’intérêt pour la gravité téléparallèle — qui visait pourtant à unifier toutes les forces de la nature — s’est rapidement amenuisé. Si la relativité générale et la théorie quantique continuent aujourd’hui d’être confirmées à maintes occasions, elles ne peuvent toutefois fournir une description complète de la réalité parce qu’elles sont mutuellement incompatibles et sont impuissantes face à certaines énigmes de l’Univers.

Alors que la relativité générale soutient l’existence des trous noirs, elle s’effondre complètement lorsqu’elle tente de décrire leurs cœurs singuliers. De même, il est impossible de décrire la gravité à une telle échelle subatomique où la mécanique quantique domine : à cette échelle, lorsque la gravité devient à la fois forte et à courte portée, la relativité générale ne tient plus.

Ces théories ne peuvent pas non plus expliquer l’accélération du taux d’expansion de l’Univers. Seule une hypothétique substance, l’énergie noire, pourrait constituer une solution fiable. En outre, le taux d’expansion lui-même, soit la constante de Hubble, pose problème : les deux méthodes utilisées pour le mesurer — à partir du fond diffus cosmologique et à partir d’étoiles plus jeunes — fournissent des résultats différents.

Finalement, soit l’Univers contient des substances mystérieuses capables de tout expliquer, soit la gravité ne fonctionne tout simplement pas comment nous le pensions. De nos jours, les physiciens ne pensent pas que la gravité téléparallèle puisse unifier la physique, mais elle pourrait être une candidate intéressante pour une nouvelle théorie de la gravité, même meilleure que la relativité générale.

Récemment, des théoriciens ont toutefois commencé à lier la gravité téléparallèle à la théorie des cordes — l’une des approches de la gravité quantique, qui dit que toutes les forces et l’énergie de l’Univers proviennent des vibrations de cordes invisibles. Dans leurs travaux, ils ont montré comment la gravité téléparallèle pourrait être une conséquence de la théorie des cordes. C’est une idée importante, car la théorie des cordes devrait être capable d’expliquer toutes les lois de la physique, et si la gravité téléparallèle est une meilleure version de la relativité générale et s’avère finalement correcte, alors il serait possible de dériver le téléparallélisme à partir des mathématiques de la théorie des cordes.

Cette dernière n’est cependant pas encore considérée comme une théorie établie et certains points sont toujours sujets à débat parmi les scientifiques. Mais si l’on parvient à améliorer un jour cette approche de manière à ce qu’elle fournisse une description sans faille du monde réel, peut-être atteindrons-nous la théorie du tout tant rêvée par Einstein.