L’un des principaux problèmes de la relativité générale qui la sépare d’autres descriptions de l’univers, comme la physique quantique, est l’existence de singularités. Les singularités sont des points qui, lorsqu’ils sont décrits mathématiquement, donnent une valeur infinie et suggèrent des zones de l’univers où les lois de la physique cesseraient d’exister – c’est-à-dire des points au début de l’univers et au centre des trous noirs.
Un nouvel article dans Physique nucléaire Bpublié par Roberto Casadio, Alexander Kamenshchik et Iberê Kuntz du Dipartimento di Fisica e Astronomia, Università di Bologna, Italie, suggère que l’extension du traitement des singularités en physique classique à la physique quantique pourrait aider à résoudre cette disparité entre les branches de la physique.
“Aucune description de la nature n’est parfaite et complète. Chaque théorie a son domaine d’applicabilité, au-delà duquel elle s’effondre et ses prédictions n’ont plus de sens”, explique M. Casadio. Il cite en exemple les théories de Newton, qui sont encore assez solides pour envoyer des fusées dans l’espace, mais qui s’effondrent lorsqu’il s’agit de décrire le très petit, ou le très massif.
Une nouvelle approche quantique du problème des singularités pourrait répondre à la question de savoir ce qui se passe au centre d’un trou noir comme celui-ci, trouvé dans la galaxie M87. Crédit : EHT
“C’est un problème sérieux car la relativité générale – la théorie qui décrit le mieux l’interaction gravitationnelle à l’heure actuelle – prédit l’existence de singularités de manière assez générique”, explique Casadio. “C’est comme avoir un trou dans l’espace, où rien ne peut exister, mais dans lequel les observateurs et tout le reste tomberont néanmoins”.
Casadio suggère que cela peut être envisagé comme une feuille de papier avec un petit trou. “Vous pouvez déplacer la pointe de votre stylo sur le papier, ce qui représente le mouvement d’une particule, mais si vous atteignez le trou, votre stylo cesse soudainement de dessiner et les particules disparaissent soudainement”, dit-il. “Cela illustre comment les singularités sont des obstacles théoriques qui nous empêchent de comprendre pleinement la nature.”
Casadio ajoute que le fait que la physique cesse d’exister aux singularités conduit à des questions sans réponse telles que : Que s’est-il réellement passé au début de l’univers ? Tout est-il né d’un point qui n’a jamais vraiment existé ? Qu’arrive-t-il à une particule lorsqu’elle tombe au centre d’un black hole?
“These open questions are the very reason we are compelled by our curiosity to pursue this line of investigation,” he says. “Our approach heavily relies on the methods of Quantum field theory (QFT): the framework that combines quantum mechanics and special relativity and gives rise to the very successful standard model of particle physics.”
The authors used the tools of QFT to construct a mathematical object that can signal the presence of singularities in experimentally measurable quantities. This object, which they have named the “functional winding number” is non-zero in the presence of singularities and vanishes in their absence.
This approach has revealed that certain singularities predicted theoretically do not affect quantities that can in principle be measured experimentally, and therefore remain harmless mathematical constructs.
“If our formalism survived scientific scrutiny and turned out to be the correct approach, it would suggest the existence of a very deep physical principle, so the choices of physical variables are rather unimportant,” Casadio concludes. “This could be consequential for our understanding of physics, even beyond the subject of singularities.”
Reference: “Covariant singularities in quantum field theory and quantum gravity” by Roberto Casadio, Alexander Kamenshchik and Iberê Kuntz, 26 July 2021, Nuclear Physics B.
DOI: 10.1016/j.nuclphysb.2021.115496
