Il y a exactement 100 ans, Albert Einstein a formulé sa théorie de la relativité qui a eu un effet majeur sur la manière dont les scientifiques perçoivent l’univers.

Maintenant, des chercheurs de l’Université Hébraïque, de l’Université Ouverte d’Israël, de l’Université de la Sapienza de Rome et de l’Université de Montpellier ont donné au « célèbre vieil homme de la physique » un cadeau, la confirmation que sa théorie est correcte.

Les scientifiques ont déclaré que les résultats de l’expérience de l’équipe, publiés lundi dans le journal Nature Physics, pouvait constituer un pas important vers la résolution de l’une des plus importantes questions du 20e siècle, les contradictions apparentes entre la théorie de la relativité et l’autre grand pilier de la physique moderne, la mécanique quantique.

Dans l’expérience, les chercheurs ont suivi le voyage de photons qui ont été générés par une irruption distante de rayon gamma à environ sept milliards d’années de la terre.

Ces photons, dont les données ont été recueillies par le télescope spatial de la NASA Fermi rayon gamma, arrivent seulement maintenant dans notre voisinage, et ils arrivent tous au même moment, en une fraction de seconde.

C’est exactement ce qu’Einstein aurait prédit, les particules de lumière, selon la théorie de la relativité, voyagent à la même vitesse absolue, 299 792 kilomètres par seconde, expliquant la coïncidence d’une fraction de seconde dans l’arrivée des particules.

Au delà de la confirmation de la théorie de la relativité, l’observation élimine une des idées intéressantes concernant l’unification de la relativité générale et la théorie quantique. Tandis que ces deux théories sont des piliers de la physique contemporaine, elles sont contradictoires, dans une certaine mesure : selon Einstein, le vide est simplement qu’en présence de rien, la lumière la traversant ne sera pas ralentie par « l’énergie », comme les particules quantiques.

Pourtant, selon la théorie quantique, qui est partiellement basée sur le principe d’incertitude d’Heisenberg, de telles particules peuvent apparaître pour de courtes périodes de temps même dans le vide avec le potentiel d’affecter la vitesse des photons.

Une des tentatives de réconcilier les deux théories est l’idée d’un « espace-temps mousse ». Selon ce concept, sur une échelle microscopique, l’espace n’est pas continu mais a plutôt une structure en forme de mousse, cela serait le résultat de nombreuses formes d’énergies qui sont présentes même dans un vide apparent.

La taille de ces éléments de mousse est si minuscule qu’il est difficile de l’imaginer et qu’il est à présent impossible de les mesurer directement.

Pourtant, la théorie explique que les particules voyageant dans la mousse seront affectées par la structure mousseuse tandis qu’elles se faufilent à travers les forces énergétiques sur leur chemin. En conséquence, elles voyageront à des vitesses différentes en fonction de leur énergie.

Si cette mousse existait vraiment, on s’attendrait à ce que nos photons arrivent au télescope Fermi à des moments différents ; après tout, sept milliards d’années, c’est vraiment long ! Il est raisonnable de penser que certains phénomènes cosmiques aient altéré leur vitesse, « encombrant leur route de mousse » et entraînant ainsi leur arrivée séparée.

Le fait que les photons soient tous arrivés au même moment indique que, même si une telle mousse existe, elle a une taille encore plus petite que celle à laquelle on pensait avant, expliquent les chercheurs.

« L’espace-temps mousse » était une tentative d’unifier la théorie de la relativité et des observations sur la mécanique quantique, expliquant des phénomènes comme « le tunnel quantique » et la façon dont l’énergie fonctionne dans l’univers. Avec ces découvertes, qui confirment les observations précédentes effectuées par des scientifiques utilisant la même base de données, les physiciens ont plus de données sur ce qui fonctionne, et ce qui ne fonctionne pas, pour résoudre la théorie de la relativité et de la mécanique quantique.

« Quand nous avons commencé notre analyse, nous ne nous attendions pas à obtenir une mesure aussi précise », explique le Pr Tsvi Piran, titulaire de la Chaire universitaire Schwartzmann à l’Institut de physique Racah de l’Université Hébraïque et directeur de la recherche.

« Cette nouvelle limite est au niveau attendu de la théorie de la gravité quantique. Elle peut nous diriger sur des pistes pour savoir comment combiner la théorie quantique et de la relativité. »

La recherche a été soutenue par une bourse supérieure ERC, les Centres de Recherche Excellence Israéliens I-CORE, l’Agence Spatiale Israélienne, le programme commun de la Fondation Science Israël et de la Fondation Science Naturelle et Nationale de Chine, la fondation Templeton.