Selon la théorie générale de la relativité, la vitesse de la lumière dans le vide, ou c, est à peu près la constante la plus fondamentale de la physique – et selon la gravité, elle voyage à la même vitesse.
Mais une nouvelle étude suggère que la vitesse de la lumière pourrait ne pas avoir toujours été cette vitesse. En fait, au début de l’Univers, la lumière pourrait avoir dépassé la gravité, et cette nouvelle hypothèse pourrait résoudre l’un des plus grands problèmes de la physique.
Cette nouvelle hypothèse pourrait résoudre l’un des plus grands problèmes de la physique. Mieux encore, contrairement à beaucoup d’hypothèses avancées en physique théorique, celle-ci peut être testée, et nous devrions donc être en mesure de savoir dans les années à venir si elle est vraie ou non.
Quel est donc le problème de la vitesse de la lumière et de la gravité ? Cette énigme remonte aux premiers jours de l’Univers et s’appelle le problème de l’horizon.
Le problème de l’horizon concerne essentiellement le fait que l’Univers a atteint une température uniforme bien avant que les particules de lumière (ou photons) n’aient eu le temps d’atteindre tous les coins de l’Univers.
Si la vitesse de la lumière dans le vide est réellement constante, et l’a toujours été, alors comment le cosmos a-t-il pu se réchauffer aussi rapidement ?
Ce problème est généralement résolu par l’idée d’inflation, qui suggère que l’Univers a connu très tôt une énorme période d’expansion.
L’hypothèse est que la température a dû s’équilibrer lorsque l’Univers était tout petit et condensé, à l’époque où la lumière n’avait pas une aussi grande distance à parcourir, et qu’il a ensuite connu une expansion rapide.
Cette hypothèse est logique, mais personne ne sait pourquoi l’inflation a commencé ou s’est arrêtée, et il n’y a aucun moyen de la tester.
Une autre hypothèse a été avancée par le physicien Niayesh Ashfordi, de l’Institut Perimeter au Canada, et João Magueijo, de l’Imperial College de Londres.
Leur idée est la suivante : aux premiers temps de l’Univers, la lumière et la gravité voyageaient à des vitesses différentes.
Cela pourrait signifier que la lumière voyageait plus vite qu’aujourd’hui, ou que la gravité voyageait plus lentement.
Quoi qu’il en soit, “si les photons se déplaçaient plus vite que la gravité juste après le Big Bang, ils auraient pu aller suffisamment loin pour que l’Univers atteigne une température d’équilibre beaucoup plus rapidement”, ont déclaré les chercheurs à Michael Brooks duNew Scientist.
Pour l’instant, il ne s’agit que d’une hypothèse. Mais ce qui est vraiment passionnant, c’est qu’elle peut être testée.
Si l’hypothèse se vérifie, il y aura une signature particulière dans le rayonnement de fond cosmique – le rayonnement résiduel du Big Bang que nous pouvons encore détecter et étudier aujourd’hui.
L’équipe a pu calculer qu’une valeur appelée indice spectral – qui décrit les ondulations initiales de la densité dans l’Univers – aurait une valeur fixe si leur hypothèse est juste : 0,96479.
Il est intéressant de noter que le dernier chiffre de l’indice spectral communiqué l’année dernière par le satellite Planck, qui cartographie le fond diffus cosmologique, était d’environ 0,968, ce qui n’est pas très éloigné du chiffre que l’on s’attendrait à voir si la lumière et la gravité voyageaient autrefois à des vitesses différentes.
D’autres données du satellite Planck permettront de montrer une fois pour toutes si ces chiffres correspondent.
Si ce n’est pas le cas, l’équipe s’en accommode.
“Ce serait formidable : je n’aurais plus à réfléchir à ces théories”, a déclaré Magueijo au New Scientist. “Toute cette classe de théories dans lesquelles la vitesse de la lumière varie par rapport à la vitesse de la gravité sera écartée”
Mais si l’indice spectral du fond diffus cosmologique correspond vraiment à la valeur prédite, cela aurait d’énormes implications pour notre compréhension de la physique.
À l’heure actuelle, il existe un écart important entre la façon dont l’Univers semble fonctionner à l’échelle quantique (mécanique quantique) et la façon dont il fonctionne à l’échelle visible (relativité générale), et les physiciens recherchent désespérément une “théorie de la gravité quantique” pour tenter d’unir les deux.
“S’il y a une bonne adéquation entre la théorie de Magueijo et les observations, elle pourrait combler ce fossé, ajoutant à notre compréhension des premiers instants de l’Univers”, déclare Brooks.
“Nous avons un modèle de l’Univers qui embrasse l’idée qu’il doit y avoir une nouvelle physique à un moment donné”, ajoute Magueijo. “C’est compliqué, évidemment, mais je pense qu’en fin de compte, il y aura un moyen d’informer la gravité quantique à partir de ce type de cosmologie”
Les travaux de recherche seront publiés dans Physical Review le 28 novembre, mais vous pouvez les lire en intégralité dès maintenant sur arXiv.org.