Frontières de la physique

Introduction

Depuis les années 1990, il est devenu clair que l’univers est en expansion à un rythme accéléré, un phénomène qui a été historiquement attribué à ce qu’on appelle « l’énergie sombre « 1. L’hypothétique énergie sombre est invisible, et peut être considérée comme une propriété intrinsèque de l’espace-temps plutôt que la matière habituelle (stress-énergie) qui est la source de la courbure de l’espace-temps. La densité de l' »énergie sombre » est constante, également contrairement à la matière/énergie ordinaire. Une méthode populaire pour rendre compte du phénomène de l’énergie noire est de l’attribuer à la « constante cosmologique » d’Einstein Λ .

Un phénomène ostensiblement distinct – l’aplatissement des courbes de rotation galactique avec la distance radiale – est également bien connu (par exemple, ). Cette valeur inattendue des vitesses de rotation pour la matière extérieure observable dans les galaxies est une anomalie pour les théories gravitationnelles standard newtoniennes et einsteiniennes, et afin de les préserver, elle a été attribuée à une forme hypothétique invisible de matière surnommée « matière noire ». Cependant, plutôt que de postuler la « matière noire », certains chercheurs ont exploré des modifications de la théorie gravitationnelle newtonienne. L’un de ces efforts, la « dynamique newtonienne modifiée » ou MOND, a été présenté par Milgrom. MOND a réussi à s’adapter aux courbes de rotation observées, mais elle présente l’inconvénient d’être une modification ad hoc de la théorie gravitationnelle de base.

La situation a récemment progressé de manière significative : Chadwick et al. ont proposé une modification de la relativité générale d’Einstein basée sur le principe que les masses ponctuelles (idéalisées) donnent lieu non seulement à la courbure habituelle de l’espace-temps, mais aussi à son expansion. Pour une valeur particulière du paramètre régissant l’ampleur de l’expansion, ils constatent que leur théorie s’adapte parfaitement aux données de rotation galactique. Il faut également noter que leur paramètre d’expansion a en principe une dépendance temporelle, bien que dans l’approximation étudiée par eux jusqu’à présent, correspondant à la formulation MOND, la dépendance temporelle soit supprimée.

À l’heure actuelle, il n’existe aucun mécanisme ou processus physique connu qui sous-tend les phénomènes attribués à la matière noire et à l’énergie noire (ou la valeur finie de Λ si c’est une expression exacte de ce dernier effet). Cet article propose un tel processus physique : un type spécifique d’émergence de l’espace-temps sous-jacent à une forme d’expansion de l’espace-temps basée sur la matière qui n’a pas été prise en compte auparavant. Ainsi, étant donné la quantification de l’expansion de l’espace-temps par la théorie CHM, nous pourrions être en mesure de rendre compte physiquement du phénomène de la « matière noire » par le biais d’une expansion précédemment insoupçonnée générée par la matière ordinaire. En outre, l' »énergie sombre » peut être comprise comme un artefact du même processus d’émergence, découlant de la discrétisation de l’espace-temps et de ses origines quantiques.

Nous devons nous empresser de noter que la proposition actuelle n’est pas en soi une théorie de la gravité quantique, bien qu’elle puisse servir de guide ontologique à une telle théorie. En tout cas, aucune théorie particulière de la gravité quantique n’est requise pour que le concept de base soit utile et applicable en tant que nouveau type de compréhension ontologique de la relation entre le niveau quantique et un collecteur espace-temps émergent. Dans ce qui suit, nous examinons d’abord le cadre général proposé pour l’émergence de l’espace-temps, puis nous montrons qu’il conduit naturellement à la description fournie par la théorie CHM. Nous discutons ensuite d’un autre aspect du processus d’émergence qui conduit naturellement à la valeur non-vanente, mais très petite, de Λ qui rend compte du phénomène de l' »énergie sombre ».

Origine possible de l’expansion de l’espace-temps autour des points de masse

Les auteurs actuels ont proposé indépendamment que de nouveaux éléments de l’espace-temps émergent du substratum quantique par un véritable processus non unitaire de mesure, dans lequel les potentiae quantiques s’actualisent comme de nouveaux ensembles d’événements structurés de l’espace-temps. L’un d’entre nous, REK, a proposé un tel processus d’actualisation et d’émergence de l’espace-temps comme un élément clé de l’extension relativiste de l’Interprétation Transactionnelle, maintenant appelée Interprétation Transactionnelle Relativiste (ITR) (cf. , Chapitre 8 ; )2. L’autre, SK, a exploré indépendamment l’idée que la mesure est un processus physique réel qui convertit les possibilités quantiques (comprises comme une nouvelle catégorie métaphysique, res potentia) en réalités spatio-temporelles (identifiées comme la res extensa de Descartes) dans le contexte de la biophysique (, principalement le chapitre 7). Les deux propositions, bien qu’ayant été atteintes et présentées de différentes manières, mènent à la même idée de base : l’expansion de l’espace-temps est toujours associée à la  » mesure  » au niveau quantique, comprise comme un processus physique réel (mais intrinsèquement indéterministe).

Dans la RTI, les objets quantiques, tels que décrits par les états quantiques, (solutions de l’équation de Schrodinger ou, au niveau relativiste, états de Fock) sont pris comme éléments d’un substrat quantique qui est un précurseur de l’espace-temps. En d’autres termes, les objets quantiques sont des potentiae de Heisenberg (des jetons de res potentia dans la terminologie de Kauffman) qui ne sont pas des objets de l’espace-temps. Ils peuvent être compris comme des conditions nécessaires mais non suffisantes pour les événements spatio-temporels. Le processus transactionnel (tel que détaillé, par exemple, dans , chapitre 3) est la condition suffisante qui aboutit à l’actualisation d’un intervalle spatio-temporel I tel que défini par un événement d’émission E, un événement d’absorption A, et la connexion temporelle et spatiale dirigée entre eux, qui est le quantum transféré (tel qu’un photon).

Dans cette image, l’énergie et le momentum sont interprétés physiquement (et pas seulement mathématiquement) comme les générateurs de déplacement temporel et spatial, respectivement. En raison de la nature conjuguée des paires {E,t} et {P,x}, chaque nouvel intervalle I(E,A) établi par le transfert de E, P (où ce sont les propriétés du photon transféré) de E à A est associé à une quantité d’action de magnitude ℏ. Ainsi, un nouvel intervalle spatio-temporel I(E,A) est physiquement généré à la suite d’une transaction transférant les quantités physiques conservées ; un intervalle qui n’existait pas auparavant. I(E,A) est distinguable dans le sens où il possède des propriétés observables en principe liées à son identification avec le processus reliant E et A (par exemple, l’énergie et le momentum directionnel transférés de E à A).

Un processus continu de tels transferts transactionnels entre émetteurs et absorbeurs (c’est-à-dire, Un processus continu de tels transferts transactionnels entre émetteurs et absorbeurs (c’est-à-dire les atomes et les molécules du substrat, qui peuvent changer de rôle d’émetteur à absorbeur et vice-versa en s’excitant et en se désintégrant de manière répétée) conduit naturellement à des aspects clés du modèle de l’ensemble causal (« causet ») de Sorkin et de ses collaborateurs (par exemple, et les références qui y figurent). Cependant, dans l’image de la RTI, chacun de ces événements spatio-temporels est contingent à la nature physique spécifique de la transaction qui l’a établi. Cela distingue et caractérise physiquement les événements spatio-temporels et leurs connexions, de sorte qu’ils ne sont pas simplement des « atomes d’espace-temps » génériques comme dans le modèle causet jusqu’à présent.

Plus de détails concernant le processus d’émergence de l’espace-temps dans l’ontologie RTI est fourni dans Kastner . Les résultats quantitatifs reliant des processus physiques spécifiques aux probabilités des « résultats de mesure », y compris une dérivation de la règle de Born pour les processus radiatifs (qui sont des transactions actualisées), sont fournis dans Kastner et Cramer . Il est démontré dans cet ouvrage et dans celui de Kastner que les transactions (et donc les nouveaux ensembles structurés d’événements spatio-temporels) se produisent avec des probabilités associées aux taux de désintégration, qui sont toujours poissonniens. Il est intéressant de noter que Bombelli et al. ont trouvé indépendamment, en ce qui concerne l’approche du causet, que la croissance du causet d’une manière Poissonienne préserve la covariance de Lorentz.

La présente proposition diffère de celle de Sorkin et de ses collaborateurs en ce que le substrat spatio-temporel (c’est-à-dire le collecteur qui est le précurseur du causet spatio-temporel) est composé d’entités quantiques spécifiques décrites par des états quantiques (c’est-à-dire des excitations de champ qui sont créées et détruites). Comme indiqué ci-dessus, ces entités quantiques donnent stochastiquement naissance à de nouveaux éléments du causet dans un processus poissonnien. Dans cette image, il existe de nombreux événements possibles (candidats) à ajouter au causet de l’espace-temps, mais il n’y a qu’un seul causet réel en croissance, et c’est l’espace-temps émergent. La structure de cet espace-temps en croissance dépend des entités quantiques spécifiques (et de leurs interactions) dans le substrat ; ainsi, ce sont elles qui dicteront les probabilités de transition d’un causet à N éléments à un causet plus grand à N+1 éléments, plutôt que des probabilités de transition s’appliquant à un processus de Markov arbitraire comme dans le modèle classique de croissance séquentielle (conçu comme une première étape vers une version quantique de la croissance des causets) étudié par Rideout et Sorkin. Néanmoins, le fait que l’incertitude ΔN sur le nombre d’éléments N soit poissonnienne conduit à la même prédiction pour la constante cosmologique que celle trouvée par , et donc à une base physique pour l' »énergie sombre » ; nous y reviendrons dans la section La constante cosmologique et l' »énergie sombre ». Cependant, il convient tout d’abord de noter que dans l’image de l’ITR (par opposition à l’approche de 1), une théorie de la « gravité quantique » consiste à quantifier la correspondance entre les éléments du substrat quantique et la structure causale émergente de l’espace-temps, cette dernière étant la métrique gravitationnelle. Une voie prometteuse à cet égard est le travail sur les posets de Knuth et al. (par exemple, ).

Comment pouvons-nous comprendre le nouvel intervalle espace-temps créé dans une transaction actualisée comme une forme d’expansion de l’espace-temps autour d’un point de masse, afin de trouver une correspondance avec la théorie CHM rendant compte de la « matière noire » ? Au niveau quantique, un « point de masse » serait quelque chose comme un atome isolé, disons un atome d’hydrogène A. Selon la proposition actuelle, l’atome fait partie du substrat quantique – et non d’un objet spatio-temporel – à moins qu’il ne soit « mesuré », c’est-à-dire qu’il s’engage dans une transaction en termes de RTI. Pour que A soit considéré comme un point de masse persistant qui pourrait servir de source d’énergie de contrainte, il devrait être soumis à une mesure continue – s’engager dans des transactions qui lui permettent d’approcher une trajectoire spatio-temporelle (voir, par exemple, la section 4.4)3. Ces transactions permanentes (provenant d’autres émetteurs et absorbeurs dans l’univers, y compris les équipements astronomiques terrestres) servent à actualiser A de manière répétée et, à chaque actualisation, un nouvel intervalle espace-temps est créé, qui n’existait pas auparavant. Il en résulte une expansion observable de la métrique au lieu de A, en plus de toute courbure déjà prise en compte dans la relativité générale standard. Notez que l’expansion n’est pas confinée au domaine spatial, mais inclut également le domaine temporel (ceci est implicite dans la théorie CHM).

Nous obtenons donc une prédiction spécifique (bien qu’à ce stade, qualitative) : l’effet d’expansion attribué à une quantité spécifique de « matière noire » devrait augmenter de façon monotone avec l’augmentation du temps propre de l’univers τ En fait, un tel effet vient d’être observé récemment : des objets très éloignés (c’est-à-dire, grand redshift, et donc très jeunes, récemment nées) ont des courbes de rotation beaucoup plus proches de la prédiction gravitationnelle newtonienne que les galaxies plus anciennes . (Bien sûr, Genzel et al. interprètent les données en se basant sur l’hypothèse habituelle que la « matière noire » existe réellement ; ils concluent donc provisoirement que la différence est liée à une moindre quantité de « matière noire » dans le passé par rapport à la quantité de matière baryonique normale). Nous considérons qu’il s’agit là d’une tentative de corroboration du modèle, mais d’autres observations sont bien sûr nécessaires. En particulier, il est maintenant possible d’étudier la matière noire en fonction de l’âge d’une galaxie, et en outre, il pourrait être possible de vérifier si la matière noire est spatialement isotrope, ou montre une variation avec la densité de la matière observable.

La constante cosmologique et l' »énergie sombre »

Nous revenons maintenant à la question de l' »énergie sombre ». Comme nous l’avons noté plus haut, le résultat du processus transactionnel d’émergence de l’espace-temps est de produire un ensemble causal du type envisagé par , bien que les éléments de l’ensemble aient plus de structure dans cette image ; ce sont des transactions en réseau I(Ei,Aj) (où les indices sont un raccourci représentant l’ordre de naissance, l’appartenance à une chaîne, les quantités physiques conservées transférées, etc.4). À cet égard, ils ressemblent davantage au « réseau d’influence » de Knuth et al. (par exemple, ). Néanmoins, le fait que les éléments de causet soient ajoutés de façon poissonnienne signifie que le modèle actuel donne la même valeur non-vanente, mais très minuscule, pour Λ.

Spécifiquement, en unités naturelles (h = G = 1) Λ a des unités de longueur inverse au carré, et les observations indiquent que

Sur la base des données empiriques, Λ doit être très proche de zéro ; mais à une approximation de premier ordre, on pourrait trouver une valeur très petite mais non négligeable5. Sorkin fournit une telle approximation de premier ordre, comme suit. On note (sur la base de la gravité unimodulaire6) que Λ et V sont essentiellement conjugués ; c’est-à-dire,

(en unités naturelles), de manière analogue aux relations d’incertitude de la mécanique quantique. Sorkin note que cette relation conjuguée entre Λ et V est évidente à partir de l’intégrale d’action,

Donc, si Λ a une valeur non-vanifiante, cela peut être dû à son incertitude

en fonction de toute incertitude dans V. Dans le modèle causal, V est proportionnel au nombre d’éléments N, puisque ce dernier spécifie combien d' »atomes d’espace-temps » existent ; ou, dans l’image RTI, combien de I(Ei,Aj) ont été actualisés. Maintenant, étant donné que des éléments sont ajoutés au collecteur (discret) de l’espace-temps selon un processus poissonnien, le nombre N d’éléments a une incertitude intrinsèque de N1/2 pour toute valeur donnée du temps propre τ. Comme V est une fonction de τ, V hérite de cette incertitude : ΔV ~ V1/2. Si l’incertitude est la seule contribution (significative) à la valeur de Λ, alors nous obtenons précisément (1).

Conclusion

Nous avons proposé un mécanisme spécifique d’émergence de l’espace-temps à partir du niveau quantique qui conduit à l’expansion de l’espace-temps quantitativement décrite dans la théorie de Chadwick et al, qui prédit correctement les données observées de rotation des galaxies attribuées à la « matière noire ». En outre, nous avons montré que le même mécanisme donne un espace-temps discret caractérisé par des incertitudes poissonniennes, similaires à celles proposées par , qui aboutit à la valeur nécessaire de Λ pour rendre compte du phénomène de l' »énergie sombre », selon les données observationnelles actuelles. Dans ce modèle, nous pouvons comprendre l' »énergie sombre » comme une propriété découlant de l’incertitude quantique de base toujours présente dans le volume V de l’espace-temps.

Cette relation possible entre l’énergie sombre et la matière est intrigante, car elle unifierait des phénomènes cosmologiques apparemment disparates et pourtant tout aussi inattendus. Si une expansion de l’espace-temps autour des points de masse peut expliquer la rotation excessive de la périphérie des galaxies (c’est-à-dire la « matière noire »), et si cette expansion est liée à l’énergie noire comme indiqué ici, nous gagnons en parcimonie explicative ainsi qu’en preuves d’une connexion fascinante de l’espace-temps avec le niveau quantique. Ce dernier pourrait aider les efforts pour trouver une théorie de la gravité quantique.

Note de l’auteur

Une forme de préprint de cet article est disponible en ligne à https://arxiv.org/abs/1708.02907. Les auteurs détiennent les droits d’auteur de cet article.

Contributions des auteurs

SK a partagé la formation et la rédaction du MS avec RK dans son intégralité.

Déclaration de conflit d’intérêts

Les auteurs déclarent que la recherche a été menée en l’absence de toute relation commerciale ou financière qui pourrait être interprétée comme un conflit d’intérêts potentiel.

Le rédacteur en chef et le réviseur LC ont déclaré leur implication en tant que co-rédacteurs dans le sujet de recherche, et confirment l’absence de toute autre collaboration.

Notes de bas de page