La relativité générale, la théorie de la gravité d'Einstein, nous fournit une base utile pour modéliser mathématiquement l'univers à grande échelle - tandis que la théorie quantique nous fournit une base utile pour modéliser la physique des particules sub-atomiques et la physique probable à petite échelle et à haute densité d'énergie de l'univers primitif - les nanosecondes après le Big Bang - que la relativité générale modélise simplement comme une singularité et n'a rien d'autre à dire à ce sujet.
Les théories de la gravité quantique peuvent avoir plus à dire. En étendant la relativité générale dans une structure quantifiée pour l'espace-temps, nous pouvons peut-être combler le fossé entre la physique à petite et à grande échelle. Par exemple, il y a une relativité doublement spéciale.
Avec la relativité restreinte conventionnelle, deux référentiels inertiels différents peuvent mesurer différemment la vitesse d'un même objet. Donc, si vous êtes dans un train et lancez une balle de tennis en avant, vous pouvez la mesurer se déplaçant à 10 kilomètres à l'heure. Mais quelqu'un d'autre, debout sur le quai de la gare, regardant votre train passer à 60 kilomètres à l'heure, mesure la vitesse du ballon à 60 + 10, soit 70 kilomètres à l'heure. Donnez ou prenez quelques nanomètres par seconde, vous avez tous les deux raison.
Cependant, comme l'a souligné Einstein, faites la même expérience où vous braquez un faisceau de torche, plutôt que de lancer une balle, en avant dans le train - vous-même dans le train et la personne sur la plate-forme mesurez la vitesse du faisceau de la torche comme la vitesse de la lumière - sans ces 60 kilomètres supplémentaires - et vous avez tous les deux raison.
Il s'avère que pour la personne sur le quai, les composantes de la vitesse (distance et temps) sont modifiées dans le train de sorte que les distances sont contractées et le temps dilaté (c'est-à-dire des horloges plus lentes). Et par le calcul des transformations de Lorenz, ces effets deviennent plus évidents plus vite que le train va. Il s'avère également que la masse d'objets dans le train augmente également - bien que, avant que quiconque ne le demande, le train ne peut pas se transformer en trou noir même à 99,9999 (etc.) pour cent de la vitesse de la lumière.
Maintenant, la relativité doublement spéciale, propose que non seulement la vitesse de la lumière soit toujours la même quel que soit votre cadre de référence, mais que les unités de masse et d'énergie de Planck sont également toujours les mêmes. Cela signifie que les effets relativistes (comme la masse semblant augmenter dans le train) ne se produisent pas à l'échelle de Planck (c'est-à-dire très petite) - bien qu'à plus grande échelle, la relativité doublement spéciale devrait fournir des résultats indiscernables de la relativité restreinte conventionnelle.
La relativité doublement spéciale pourrait également être généralisée vers une théorie de la gravité quantique - qui, une fois étendue de l'échelle de Planck, devrait fournir des résultats indiscernables de la relativité générale.
Il s'avère qu'à l'échelle de Planck e = m, même si aux échelles macro e = mc2. Et à l'échelle de Planck, une masse de Planck est 2.17645 × 10-8 kg - soi-disant la masse d'un œuf de puce - et a un rayon Schwarzschild d'une longueur de Planck - ce qui signifie que si vous compressiez cette masse en un si petit volume, cela deviendrait un très petit trou noir contenant une unité d'énergie Planck.
En d'autres termes, à l'échelle de Planck, la gravité devient une force importante en physique quantique. Bien qu'en réalité, tout ce que nous disons, c'est qu'il existe une unité de force gravitationnelle de Planck entre deux masses de Planck lorsqu'elles sont séparées par une longueur de Planck - et en passant, une longueur de Planck est la distance à laquelle la lumière se déplace dans une unité de temps de Planck!
Et comme une unité d'énergie Planck (1,22 × 1019 GeV) est considérée comme l'énergie maximale des particules - il est tentant de considérer que cela représente les conditions attendues à l'époque de Planck, étant la toute première étape du Big Bang.
Tout cela semble terriblement excitant, mais cette ligne de pensée a été critiquée comme étant juste une astuce pour améliorer le fonctionnement des mathématiques, en supprimant des informations importantes sur les systèmes physiques considérés. Vous risquez également de saper les principes fondamentaux de la relativité conventionnelle car, comme le souligne l'article ci-dessous, une longueur de Planck peut être considérée comme une constante invariable indépendante du cadre de référence d'un observateur tandis que la vitesse de la lumière devient variable à des densités d'énergie très élevées.
Néanmoins, puisque même le grand collisionneur de hadrons ne devrait pas fournir de preuves directes de ce qui peut ou ne peut pas se produire à l'échelle de Planck - pour l'instant, améliorer le travail mathématique semble être la meilleure voie à suivre.
Lectures complémentaires: Zhang et al. Photodynamique de la thermodynamique des gaz dans une relativité doublement spéciale.
