Une nouvelle approche thermodynamique de la gravité propose d’expliquer l’accélération cosmique

Les limites actuelles de la relativité générale face à l’univers

La force qui attire les objets les uns vers les autres, connue sous le nom de gravité, est actuellement définie par la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein. Ce cadre scientifique décrit la gravité comme la courbure de l’espace-temps, qui constitue le tissu invisible à quatre dimensions de l’univers.

Bien que la relativité générale soit aujourd’hui la théorie centrale de la gravité, elle ne parvient pas à expliquer certains mystères et phénomènes cosmologiques. L’un des exemples les plus frappants reste le problème de la constante cosmologique, une faille théorique majeure étudiée par les physiciens du monde entier.

Cette énigme scientifique désigne le décalage inexpliqué entre l’énergie observée de l’espace vide et les valeurs beaucoup plus élevées qui sont prédites par les théories quantiques. Face à ces limites, la communauté scientifique cherche continuellement de nouvelles voies pour comprendre la dynamique de notre cosmos.

L’inspiration fondamentale née d’un isolement géographique

Dans un article récent publié dans la revue Physical Review Letters, des chercheurs de l’Imperial College London ont tenté de formuler la gravité en utilisant la thermodynamique, le cadre qui décrit la manière dont l’énergie et la chaleur se transforment. Leur étude s’appuie sur un article fondateur du physicien théoricien Ted Jacobson, publié il y a plus de trois décennies.

João Magueijo, l’auteur principal de l’article, a partagé la genèse de ce projet avec le média Phys.org : « J’ai d’abord découvert les travaux fondateurs de Jacobson de 1995 lorsque je venais juste de terminer mon doctorat, et j’ai trouvé l’idée fascinante », a-t-il déclaré à la plateforme scientifique.

Le chercheur a ensuite détaillé son processus de réflexion, catalysé par des vacances loin de toute technologie. « Il a inversé la logique des arguments de Hawking et Bekenstein selon lesquels la gravité d’Einstein a une température et une entropie et a plutôt utilisé la physique thermique pour dériver la gravité d’Einstein. Je voulais faire quelque chose avec cette idée depuis des années, mais toutes mes tentatives ont lamentablement échoué. Puis l’année dernière, alors que j’étais en vacances sur une île grecque isolée, dont une partie n’a pas internet, ce qui a peut-être aidé, j’ai réalisé que la plupart des travaux précédents avaient essayé d’adapter les théories existantes de la gravité dans la construction de Jacobson. » Fort de cette réalisation, Magueijo a commencé à explorer la possibilité de décrire la gravité en partant uniquement de la physique thermique, dans l’espoir que ce processus mènerait à des théories de la gravité entièrement nouvelles auxquelles personne n’avait pensé auparavant.

La gravité modélisée sous les traits d’un moteur à essence

Afin de développer davantage les idées qu’il envisageait, João Magueijo a entamé une collaboration avec Ray Isichei, un étudiant en doctorat qu’il supervisait à l’Imperial College. Ensemble, les deux chercheurs ont commencé à examiner la gravité d’un point de vue thermodynamique en reliant l’expansion de l’univers à ces principes physiques.

Leur approche spécifique a consisté à formuler la gravité comme un cycle d’Otto, une construction thermodynamique qui décrit le fonctionnement des moteurs à essence. Cette perspective inédite visait à élargir le spectre habituel des forces gravitationnelles.

« Nous avons demandé ce qui se passe si le processus thermodynamique derrière la gravité n’est pas seulement un flux de chaleur », a expliqué Magueijo. Le chercheur précise : « Dans la thermodynamique ordinaire, la chaleur n’est presque jamais toute l’histoire: il peut y avoir des réactions chimiques, une expansion contre un piston, un travail effectué ou d’autres contributions. Nous avons donc ajouté ce ‘quelque chose d’autre’ manquant à l’argument, sans préjugé concernant ce qui en sortirait de l’autre côté. »

Une remise en question radicale des lois de conservation

À leur grande surprise, l’équipe a découvert que la théorie gravitationnelle qu’ils avaient dérivée permettait à la matière et à l’énergie d’être créées ou détruites. Il s’agissait d’un choc total pour les chercheurs, étant donné que la conservation de l’énergie et de la matière constitue un principe physique fondamental. Le fait que ce principe puisse être violé a presque poussé le duo à abandonner leur théorie complètement.

Cependant, une réflexion sur l’échelle cosmique a sauvé le projet. « L’idée ne s’est pas retrouvée à la poubelle parce que nous avons réalisé que, lorsqu’elle est appliquée à l’univers dans son ensemble, elle pourrait reproduire l’accélération observée de l’expansion cosmique sans avoir à poser l’énergie noire, une constante cosmologique, ou l’un des ingrédients habituels invoqués pour l’expliquer », a souligné Magueijo.

Cette approche propose un mécanisme alternatif fascinant concernant la structure même du cosmos. Le scientifique ajoute : « La matière normale devrait tirer en arrière et décélérer l’expansion de l’univers, mais cela suppose les lois de conservation habituelles. Dans ce modèle, la matière normale dont la loi de conservation est modifiée (permettant une création continue) peut au contraire entraîner une accélération. »

Le défi des observations de précision pour cette théorie émergente

L’étude menée par l’équipe offre une théorie de la gravité nouvelle et non conventionnelle. Elle suggère que la théorie de la relativité d’Einstein pourrait également être potentiellement formulée comme un processus thermodynamique. Un tel cadre théorique pourrait éliminer le besoin d’une constante cosmologique classique et aider potentiellement à résoudre un problème de longue date en cosmologie.

Bien que cette nouvelle théorie conçue par Magueijo et Isichei soit particulièrement intrigante, elle reste à ce stade spéculative et à ses débuts. Les chercheurs planifient actuellement des études supplémentaires visant à la développer davantage et à comparer ses prédictions avec les preuves cosmologiques et les résultats expérimentaux disponibles. « Beaucoup de travail doit maintenant être fait pour comparer le modèle en détail avec les observations cosmologiques », a ajouté Magueijo.

Le chercheur rappelle l’évolution stricte de sa discipline : « Quand j’ai commencé mon doctorat, en 1990, on pouvait encore dire presque n’importe quoi en cosmologie, car la rareté des données le permettait. La cosmologie est depuis devenue un sujet de haute précision, axé sur les données. Toute nouvelle idée doit maintenant passer l’épreuve de l’observation. » L’étude, intitulée « Lorentz Violation in Emergent Gravity and Its Cosmological Consequences », est créditée à Raymond Isichei et ses collaborateurs. Les informations relatives au journal précisent une publication dans Physical Review Letters (2026), avec la référence technique DOI: 10.1103/tvmx-qk3k.

Selon la source : phys.org

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