Deux cosmologistes de l’Observatoire Astronomique du Vatican ont encore progressé dans le développement d’une nouvelle méthode mathématique pour comprendre le Big Bang. Dans un article de 2022 publié dans la prestigieuse revue Physical Review D, les pères Gabriele Gionti et Matteo Galaverni (Diocèse de Reggio Emilia – Guastalla, Italie) ont présenté un nouvel outil mathématique prometteur qu’ils ont mis au point pour comprendre les premiers instants de l’univers. Ils publient maintenant un nouvel article dans le European Physical Journal C.
La détection des ondes gravitationnelles et d’autres mesures cosmologiques nous indiquent que la théorie de la gravité d’Albert Einstein, connue sous le nom de « relativité générale », est la physique idéale pour décrire la structure à grande échelle de l’Univers aujourd’hui. L’idée de la gravité est très ancienne. Selon la théorie d’Aristote, si une pierre tombe sur le sol, c’est parce qu’elle possède la « gravité », ou « pesanteur » – une tendance naturelle et constante à se déplacer vers le centre de l’univers. Isaac Newton a théorisé que la chute de la pierre est due à une force « gravitationnelle » présente entre tous les objets ayant une masse, y compris la pierre et la Terre.
Selon la théorie d’Einstein, le mouvement de la pierre est le résultat d’une déformation de l’espace et du temps produite par la masse de la Terre. La théorie de la gravité d’Einstein a réussi les tests expérimentaux et peut expliquer les phénomènes observés, ce que la théorie de Newton ne peut pas faire.
Cependant, des questions persistent sur les lois de la physique aux tous premiers instants de l’Univers, et sur la physique de la gravité à très petite échelle. Des chercheurs ont proposé des théories combinant la gravité et la mécanique quantique (la physique qui s’applique à la plus petite échelle). Ces théories alternatives ou modifiées de la gravité suggèrent que la gravité pourrait se comporter différemment de ce que prédit la relativité générale, même en ce qui concerne la structure à grande échelle de l’Univers. Elles sont également souvent utilisées pour tenter d’expliquer les mystérieuses « matière noire » et « énergie noire » dont les astronomes pensent aujourd’hui qu’elles constituent la grande majorité de l’univers observable, mais dont on ne sait pas grand-chose. Or, la communauté scientifique est divisée sur ces théories.
Dans leur nouvel article intitulé « On the canonical equivalence between Jordan and Einstein frames », les pères Gionti et Galaverni montrent qu’ils peuvent transformer ou « map » (mettre en correspondance : voir note) la solution d’un problème physique à partir d’une théorie alternative de la gravité vers la relativité générale grâce à une astuce mathématique consistant à examiner le problème à travers deux « cadres » mathématiques différents, connus sous le nom de « cadre de Jordan » et « cadre d’Einstein ». Mais les solutions apportées par ces deux cadres sont-elles également applicables au monde réel observé par les astronomes ? Le travail des deux prêtres laisse entrevoir à la fois des promesses et des limites. « La vérification du fait que les observables physiques calculés séparément dans le cadre d’Einstein et de Jordan reproduisent ou non le même résultat dans les deux cadres devrait nous éclairer sur l’équivalence physique des cadres de Jordan et d’Einstein », écrivent-ils dans l’article. Ils montrent également qu’il existe un « map » (correspondance) similaire entre les théories alternatives de la gravité et un comportement particulier de la gravité appelé « anti-Newtonien» ou «anti-gravité ».
Les deux chercheurs trouvent cette analyse mathématique de la gravité personnellement convaincante. « C’est vraiment fascinant d’essayer de comprendre les lois physiques aux tout premiers instants de l’univers », affirment-ils.
« La recherche de nouvelles lois physiques et l’effort pour les comprendre pleinement est un processus qui remplit nos esprits et nos cœurs de beaucoup de joie ». Même si parfois, notent-ils, cela peut être assez frustrant. « C’est une façon de contribuer, avec l’ensemble de la communauté scientifique, à répondre à des questions fondamentales : qui sommes-nous ? d’où venons-nous ? quelle est notre origine ? De plus, pour un croyant, c’est une merveilleuse opportunité d’interpréter sa recherche comme une découverte de nouvelles traces ou de nouveaux signes de la beauté et de l’élégance de Dieu dans la création de l’univers – en dépit de nos connaissances extrêmement limitées ».
Note : map ou mapping: (terme mathématique) associer chaque élément d’un ensemble avec un élément d’un autre ensemble;
« the direct sum of two rings A and B may be mapped homomorphically on the summand »
