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Schrödinger et Einstein avaient entrevu l'énergie noire

Albert Einstein a publié en 1917 son modèle d’univers dans lequel il introduisait la désormais célèbre constante cosmologique. En relisant deux articles concernant un débat entre Einstein et Schrödinger au sujet de cette constante en 1918, un physicien américain s’est rendu compte qu’Einstein avait entrevu la possibilité que sa constante se comporte comme certains modèles d’énergie noire actuels.

Einstein et Pauli en pleine discussion. Les deux physiciens étaient des maîtres de la théorie de la relativité générale. © Cern Einstein et Pauli en pleine discussion. Les deux physiciens étaient des maîtres de la théorie de la relativité générale. © Cern

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Lorsque Albert Einstein a publié en 1917 son premier modèle cosmologique issue des équations de la relativité générale, il avait utilisé une possibilité au départ purement mathématique dictée par la théorie des invariants en géométrie différentielle. Il s’agissait aussi de trouver des solutions décrivant la géométrie de l’espace-temps à grande échelle produite par une distribution d’étoiles censée représenter l’univers et en accord avec une idée à laquelle Einstein tenait par-dessus tout : le principe de Mach.

Einstein obtenait au final un système d’équations exprimant la structure de l’espace-temps en cosmologie avec une constante notée lambda, ajustée pour contrebalancer par des forces répulsives les forces d’attraction d’une distribution uniforme d’étoiles dans un espace-temps clos, fini et éternel. Sans ces forces répulsives, l’univers ne serait pas stable, en contradiction avec ce que l’on pensait savoir à l’époque. La constante d’Einstein allait devenir célèbre et aujourd’hui tout le monde en a entendu parler sous le nom de constante cosmologique.


Le site Du Big Bang au Vivant est un projet multiplateforme francophone sur la cosmologie contemporaine. Hubert Reeves, Jean-Pierre Luminet et d'autres chercheurs y répondent à des questions à l'aide de vidéos. © Groupe ECP, www.dubigbangauvivant.com, Youtube

En 1918, Erwin Schrödinger, le futur découvreur de la mythique équation gouvernant le monde de la mécanique quantique, proposa dans un court article de traiter différemment la constante cosmologique d’Einstein. Non comme un paramètre de la partie des équations d’Einstein traitant de la courbure de l’espace-temps, mais comme l’effet d’une densité de matière ou d’énergie encore inconnue. En des termes modernes, comme le fait remarquer aujourd’hui le physicien Alex Harvey, professeur à la City University of New York, dans un article publié sur arxiv, Schrödinger introduisait implicitement le concept d’énergie noire en cosmologie.

Schrödinger, précurseur pour le concept d’énergie noire

Le génial Schrödinger arpenta plus tard de nouveaux sentiers de la cosmologie relativiste avec des décennies d'avance. En effet, en 1939, il a découvert que dans un univers en expansion, les lois de la mécanique quantique et de la relativité générale peuvent conduire à la création de particules. Il avait donc 30 ans d’avance sur Zel’dovich, Starobinsky et Hawking qui, entre la fin des années 1960 et le milieu des années 1970, ont exploré les conséquences de la théorie quantique des champs en espace-temps courbe au début de l’univers ou au voisinage des trous noirs.

Erwin Schrödinger et Albert Einstein partageaient bien des choses en commun, comme un intérêt pour la philosophie et une insatisfaction devant l'interprétation orthodoxe de la mécanique quantique. Ils ont travaillé sur des thèmes identiques en relativité générale, de la cosmologie à une théorie unifiée de la gravitation et du champ électromagnétique. © DP
Erwin Schrödinger et Albert Einstein partageaient bien des choses en commun, comme un intérêt pour la philosophie et une insatisfaction devant l'interprétation orthodoxe de la mécanique quantique. Ils ont travaillé sur des thèmes identiques en relativité générale, de la cosmologie à une théorie unifiée de la gravitation et du champ électromagnétique. © DP

Einstein ne tarda pas à répondre aux remarques de Schrödinger. Il avait bien sûr eu la même idée, mais n’en avait pas parlé dans son article de 1917, parce que cela aurait ouvert la boîte de Pandore. En effet, si on considère que la constante cosmologique est la manifestation d’une distribution de matière-énergie, il faut admettre qu’elle peut varier dans le temps et dans l’espace selon des lois à déterminer.

En des termes modernes, selon Alex Harvey, Einstein entrevoyait que sa constante devait être remplacée par des équations décrivant un champ scalaire variable dans l’espace-temps, c'est-à-dire quelque chose comme les modèles de quintessence pour l’énergie noire.

L'énigme de la constante cosmologique

Mais comme aucune indication ne permettait de fixer les équations de ce champ, on ne pouvait que se perdre en conjectures stériles. Il valait mieux considérer dans un premier temps le modèle cosmologique le plus simple possible au niveau des hypothèses.

Quatre-vingts ans plus tard, Saul Perlmutter, Adam Riess et Brian Schmidt, en découvrant l’expansion accélérée de l’univers, allaient ramener le problème considéré par Schrödinger et Einstein sur le devant de la scène. Un autre problème clairement vu au début des années 1920 par Wolfgang Pauli allait devenir lui aussi encore plus aigu.

Avant même la découverte par Heisenberg, Born et Schrödinger des lois de la mécanique quantique, le jeune Pauli avait compris que les règles de la vieille théorie quantique imposaient que le champ électromagnétique devait contenir tellement d’énergie même en l’absence de propagation de la lumière qu’il aurait dû courber l’espace de l’univers clos d’Einstein de telle sorte qu’il ressemblerait à une sphère de seulement 31 km de rayon environ. Ce grave problème persiste aujourd’hui lorsque l’on tente de comprendre la nature de l’énergie noire.


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