Des physiciens imaginent des « quasicristaux spatio-temporels » qui pourraient sous-tendre l'univers

États-Unis - Agence de presse Ekhbary

Des physiciens imaginent des « quasicristaux spatio-temporels » qui pourraient sous-tendre l'univers

Dans un audacieux saut théorique, les physiciens explorent la possibilité que le tissu même de notre univers puisse être structuré en « quasicristaux spatio-temporels ». Il ne s'agit pas de cristaux ordinaires ; ils possèdent un ordre inhérent mais manquent des motifs répétitifs trouvés dans les solides cristallins conventionnels. Alors que les quasicristaux ont été observés dans des matériaux et même dans des météorites, l'idée qu'ils puissent exister au sein des dimensions entrelacées de l'espace et du temps, telles que décrites par la théorie de la relativité d'Einstein, représente une expansion radicale des concepts physiques.

Les cristaux conventionnels sont caractérisés par un réseau d'atomes très ordonné et répétitif. Si l'on déplaçait un cristal d'une certaine quantité, son motif s'alignerait parfaitement avec lui-même. Cette prévisibilité est fondamentale pour leurs propriétés. Les quasicristaux, en revanche, défient cette simple répétition. Ils présentent un ordre à longue portée, ce qui signifie que leur structure globale est prévisible et organisée, mais l'arrangement spécifique de leurs atomes ou unités ne se répète pas de manière simple et périodique. Cette caractéristique unique a conduit à leur découverte dans des contextes divers, allant des fragments de météorites aux matériaux produits par des explosions nucléaires.

Les derniers travaux théoriques, soumis à arXiv.org, postulent que ces structures fascinantes peuvent théoriquement exister non seulement dans trois dimensions spatiales, mais dans l'espace-temps lui-même – le continuum quadridimensionnel qui fusionne l'espace et le temps. Au lieu d'être confinés à des arrangements spatiaux, ces « quasicristaux spatio-temporels » impliqueraient intrinsèquement des dimensions spatiales et temporelles, créant une structure dynamique, ordonnée mais non répétitive au sein du cadre fondamental de l'univers.

Le physicien théoricien Felix Flicker de l'Université de Bristol en Angleterre, qui n'a pas été directement impliqué dans l'étude mais connaît bien la recherche, a commenté l'importance des découvertes. "Mon sentiment était qu'il ne serait probablement pas possible de créer un véritable quasicristal spatio-temporel", a admis Flicker. Cependant, il a reconnu la réussite des chercheurs, décrivant leur travail comme proposant "les choses les plus élégantes que l'on puisse avoir dans l'espace-temps en tant qu'entité combinée".

Un aspect crucial de ces quasicristaux spatio-temporels théoriques est leur respect de la symétrie de Lorentz. Ce principe fondamental de la relativité restreinte stipule que les lois de la physique sont les mêmes pour tous les observateurs, quel que soit leur état de mouvement, en particulier à des vitesses proches de celle de la lumière. Les cristaux standards et les quasicristaux précédemment connus ne possèdent pas intrinsèquement cette symétrie ; un observateur se déplaçant à grande vitesse percevrait leur structure différemment en raison d'effets relativistes tels que la contraction des longueurs. Cependant, les quasicristaux spatio-temporels proposés sont formulés pour rester invariants sous les transformations de Lorentz, ce qui signifie que leur structure ordonnée apparaîtrait de la même manière à un observateur stationnaire qu'à un observateur se déplaçant à des vitesses proches de la lumière.

La construction mathématique de ces quasicristaux spatio-temporels implique une technique sophistiquée. Les chercheurs les ont dérivés en prenant une tranche quadridimensionnelle à travers une grille de points de dimension supérieure, puis en projetant ces points sur la tranche. L'élément critique est que cette tranche a une pente irrationnelle – une pente qui ne peut pas être exprimée comme une fraction simple de deux nombres entiers, semblable à pi. Cette pente irrationnelle garantit que la tranche ne s'aligne jamais directement avec les points de la grille, générant ainsi la structure caractéristique non répétitive mais ordonnée.

Sotiris Mygdalas de l'Institut Périmètre à Waterloo, Canada, co-auteur de l'étude, suggère que ce cadre théorique pourrait être plus qu'une simple curiosité mathématique. "L'espace-temps dans lequel nous vivons pourrait être un quasicristal", a déclaré Mygdalas, faisant allusion aux implications profondes pour la cosmologie et la physique fondamentale.

Le concept de quasicristaux spatio-temporels pourrait offrir des perspectives significatives sur les théories de la gravité quantique. Ces théories tentent de réconcilier la relativité générale avec la mécanique quantique, proposant souvent que l'espace-temps lui-même est granulaire ou discret à des échelles extrêmement petites. La nature ordonnée et non répétitive des quasicristaux pourrait fournir un modèle mathématique de la manière dont l'espace-temps pourrait être structuré à ces niveaux fondamentaux tout en respectant la symétrie de Lorentz, une pierre angulaire de la physique moderne.

De plus, la recherche touche aux implications pour la théorie des cordes, qui postule l'existence de dimensions spatiales supplémentaires au-delà des trois que nous percevons. Alors que la théorie des cordes explique souvent ces dimensions comme étant enroulées trop petites pour être détectées, le modèle des quasicristaux spatio-temporels offre une alternative : les dix dimensions pourraient être enroulées d'une manière qui génère l'espace-temps continu et apparemment infini que nous expérimentons, par le biais du mécanisme consistant à prendre une tranche à pente irrationnelle à travers un espace de dimension supérieure.

Les chercheurs eux-mêmes décrivent leurs découvertes comme "admittedly half-baked" (inavouablement pas encore mûres), reconnaissant que des développements théoriques et des preuves empiriques supplémentaires sont nécessaires pour valider ces idées. Néanmoins, l'attrait intellectuel est indéniable. Le physicien théoricien Gregory Moore de l'Université Rutgers, qui n'a pas participé à l'étude, a salué le travail, le qualifiant de "belles mathématiques", tout en notant que "la physique est très hautement spéculative". Ces explorations, aussi spéculatives soient-elles, représentent la pointe de la physique théorique, repoussant les limites de notre compréhension et révélant potentiellement des vérités plus profondes sur la structure sous-jacente de l'univers.

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