Tout comme les interactions entre les grains de sable forment une surface lisse sur la plage, l'espace-temps que nous connaissons pourrait être le résultat de relations entre les quarks et leurs conglomérats. Crédit :FIJ PAN
La plupart des physiciens pensent que la structure de l'espace-temps se forme d'une manière inconnue à l'échelle de Planck, c'est à dire., à une échelle proche d'un milliardième de milliardième de mètre. Cependant, des considérations prudentes sapent cette prédiction. Il existe de nombreux arguments en faveur de l'émergence de l'espace-temps comme résultat de processus se déroulant au niveau des quarks et de leurs conglomérats.
Qu'est-ce que l'espace-temps ? L'absolu, arène immuable des événements? Ou peut-être est-ce une création dynamique, émergeant en quelque sorte sur une certaine échelle de distance, de temps ou d'énergie. Les références à l'absolu ne sont pas les bienvenues dans la physique d'aujourd'hui. Il est largement admis que l'espace-temps est émergent. Ce n'est pas clair, cependant, où se déroule le processus de son émergence. La majorité des physiciens ont tendance à supposer que l'espace-temps est créé à l'échelle de Planck, à des distances proches d'un trillionième de trillionième de mètre (~10-35 m). Dans son article de Fondements de la science , Le professeur Piotr Zenczykowski de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences (IFJ PAN) à Cracovie systématise les observations de nombreux auteurs sur la formation de l'espace-temps, et soutient que l'hypothèse de sa formation à l'échelle des quarks et des hadrons (ou agrégats de quarks) est tout à fait raisonnable pour un certain nombre de raisons.
Les questions sur la nature de l'espace et du temps ont intrigué l'humanité depuis au moins l'antiquité. L'espace et le temps sont-ils séparés de la matière, créer un « conteneur » pour les mouvements et les événements se produisant avec la participation de particules, comme Démocrit l'a proposé au 5ème siècle avant JC ? Ou peut-être sont-ils des attributs de la matière et ne pourraient exister sans elle, comme le suggéra Aristote un siècle plus tard ? Malgré le passage des millénaires, ces problèmes n'ont pas encore été résolus. De plus, les deux approches, bien que contradictoire, sont profondément ancrés dans les piliers de la physique moderne.
En mécanique quantique, les événements se déroulent dans une arène rigide avec un temps qui s'écoule uniformément. Pendant ce temps, dans la théorie de la relativité générale, la matière déforme l'espace-temps élastique (en l'étirant et en le tordant), et l'espace-temps indique aux particules comment se déplacer. En d'autres termes, dans une théorie, les acteurs entrent dans une scène déjà préparée pour jouer leurs rôles, tandis que dans l'autre, ils créent la scénographie pendant la représentation, qui à son tour influence leur comportement.
En 1899, Le physicien allemand Max Planck a remarqué qu'avec certaines combinaisons de certaines constantes de la nature, des unités de mesure très fondamentales ont pu être obtenues. Seulement trois constantes :la vitesse de la lumière c, la constante gravitationnelle G et la constante de Planck h-étaient suffisantes pour créer des unités de distance, temps et masse, égal (respectivement) à 1,62 · 10 -35 m, 5,39 · 10 -44 s et 2.18 · 10 -5 g. Selon la croyance dominante d'aujourd'hui, l'espace-temps serait créé à la longueur de Planck. En réalité, il n'y a pas d'arguments substantiels pour la rationalité de cette hypothèse.
Tant nos expériences les plus sophistiquées que nos descriptions théoriques atteignent l'échelle des quarks, c'est à dire., le niveau de 10 -18 m. Alors, comment savons-nous que le long du chemin jusqu'à la longueur de Planck - plus d'une douzaine consécutives, des ordres de grandeur de plus en plus petits :l'espace-temps conserve sa structure ? En réalité, on ne sait même pas si le concept d'espace-temps est rationnel au niveau des hadrons ! Les divisions ne peuvent pas être effectuées indéfiniment, parce qu'à un certain stade, la question de la prochaine partie plus petite cesse tout simplement d'avoir un sens. Un exemple parfait ici est la température. Ce concept fonctionne très bien à une échelle macro, mais quand, après les divisions ultérieures de la matière, nous atteignons l'échelle des particules individuelles, il perd sa raison d'être.
"Maintenant, nous cherchons d'abord à construire un quantifié, espace-temps discret, puis le « peupler » de matière discrète. Cependant, si l'espace-temps était un produit de quarks et de hadrons, la dépendance serait inversée - le caractère discret de la matière devrait alors imposer la discrétion de l'espace-temps, " dit le professeur Zenczykowski. " Planck était guidé par les mathématiques. Il voulait créer des unités à partir du moins de constantes possibles. Mais les mathématiques sont une chose, et la relation avec le monde réel en est une autre. Par exemple, la valeur de la masse de Planck semble suspecte. On s'attendrait à ce qu'il ait une valeur un peu plus caractéristique pour le monde des quanta. En attendant, il correspond à environ un dixième de la masse d'une puce, ce qui est très certainement un objet classique."
Puisque nous voulons décrire le monde physique, nous devrions pencher vers des arguments physiques plutôt que mathématiques. Ainsi, lorsque vous utilisez les équations d'Einstein, nous décrivons l'univers à grande échelle, et il devient nécessaire d'introduire une constante gravitationnelle supplémentaire, connue sous le nom de constante cosmologique Lambda. Par conséquent, en construisant des unités fondamentales, si nous développons l'ensemble original de trois constantes par Lambda, dans le cas des masses, on obtient non pas une mais trois valeurs fondamentales :1,39 · 10 -65 g, 2.14 · 10 56 g, et 0,35 · 10 -24 g. Le premier d'entre eux pourrait être interprété comme un quantum de masse, la seconde se situe au niveau de la masse de l'univers observable, et le troisième est similaire aux masses de hadrons (par exemple, la masse d'un neutron est de 1,67 · 10 -24 g). De la même manière, après prise en compte de Lambda, une unité de distance de 6,37 · 10- 15 m apparaît, très proche de la taille des hadrons.
"Jouer à des jeux avec des constantes, cependant, peut être risqué, car beaucoup dépend des constantes que nous choisissons. Par exemple, si l'espace-temps était bien un produit de quarks et de hadrons, puis ses propriétés, y compris la vitesse de la lumière, devrait également être émergent. Cela signifie que la vitesse de la lumière ne doit pas faire partie des constantes de base, " dit le Pr Zenczykowski.
Un autre facteur en faveur de la formation de l'espace-temps à l'échelle des quarks et des hadrons sont les propriétés des particules élémentaires elles-mêmes. Par exemple, le modèle standard n'explique pas pourquoi il y a trois générations de particules, d'où viennent leurs masses, ou pourquoi il existe des nombres quantiques internes, qui incluent l'isospine, hypercharge et couleur. Sur la photo présentée par le professeur Zenczykowski, ces valeurs peuvent être liées à un certain espace à six dimensions créé par les positions des particules et leurs impulsions. L'espace ainsi construit accorde la même importance aux positions des particules (matière) et à leurs mouvements (processus). Il s'avère que les propriétés des masses ou des nombres quantiques internes peuvent alors être une conséquence des propriétés algébriques de l'espace 6-D. Quoi de plus, ces propriétés expliqueraient aussi l'impossibilité d'observer les quarks libres.
"L'émergence de l'espace-temps peut être associée à des changements dans l'organisation de la matière se produisant à l'échelle des quarks et des hadrons dans le plus primaire, espace des phases à six dimensions. Cependant, ce n'est pas très clair quoi faire ensuite avec cette image. Chaque étape suivante exigerait d'aller au-delà de ce que nous savons. Et nous ne connaissons même pas les règles du jeu que la nature joue avec nous, nous devons encore les deviner. Cependant, il semble très raisonnable que toutes les constructions commencent par la matière, parce que c'est quelque chose de physique et expérimentalement disponible. Dans cette approche, l'espace-temps ne serait que notre idéalisation des relations entre les éléments de la matière, " dit le Pr Zenczykowski.
