PHÉNOMÉNOLOGIE AUX GRANDES DENSITÉS DE LA RELATIVITÉ INTRIQUÉE

HIGH DENSITY PHENOMENOLOGY OF ENTANGLED RELATIVITY

• Auteur / Autrice : Thomas Chehab
• Direction : Michel Boër, Olivier Minazzoli
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Doctorat sciences de la planete et de l'univers
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Astrophysique Relativiste Théories Expériences Métrologie Instrumentation Signaux (Nice)

Mots clés

Mots clés libres

Physique fondamentale

Gravitation relativiste

Théorie quantique des champs

Quantum field theory

Fundamental physics

Relativistic gravitation

Résumé

En dépit de ses innombrables succès, un certains nombre d'indications pointent vers la possibilité que la relativité générale soit en fait une limite d'une théorie plus générale encore. Comme cela a été le cas pour la gravitation de Newton – qui n'était fondamentalement pas compatible avec les lois de l'électromagnétisme et de la relativité restreinte – il faut faire attention aux incohérences de la théorie pour tirer cette conclusion. La première indications que l'on peut mentionner – et qui a valu le prix Nobel 2020 en physique à Roger Penrose – est le fait que l'existence de singularités semble inéluctable d'après les lois de la relativité générale. Or, la définition de la théorie elle-même repose sur l'existence préalable d'un espace-temps. La relativité générale prédit donc des objets dans lesquels la théorie elle-même ne peut même plus être définie – ce qui est tout à fait paradoxal. Une autre incohérence, potentiellement reliée à la première, est que la relativité générale peut être formulée dans le vide, et possède même tout un bestiaire de solutions du vide. Cela viole frontalement l'un des trois principes fondateurs de la relativité générale, à savoir le principe de la relativité de l'inertie, qu'Einstein a nommé Principe de Mach. En effet, Einstein rejette l'idée que l'inertie pourrait être définie dans le vide (mais présuppose plutôt qu'elle devrait être définie relativement à l'environnement matériel), parce que cela donnerait à l'espace-temps un caractère absolu (par opposition à relatif), comme dans le cadre de la théorie de Newton. En effet, pour une théorie relativiste, l'espace-temps détermine la structure inertielle des trajectoires. Or, rien n'empêche à l'espace-temps d'exister dans le vide en relativité générale. En 2015, Hendrick Ludwig et Olivier Minazzoli, plus tard rejoint par Salvatore Capozziello, ont trouvé une nouvelle théorie générale de la relativité qui ne peut même pas être définie si la matière n'est pas définie en même temps – ce qui est bien plus en adéquation avec le principe de relativité de l'inertie cher à Einstein. Des travaux suivants ont nommé cette théorie « relativité intriquée », en référence au fait que la matière et l'espace-temps semblent intriqués (au sens étymologique du terme) dans cette théorie, puisque l'un ne peut exister (ou être définie) sans l'autre. Ces travaux ont aussi montré que la relativité générale était en fait une limite de la relativité intriquée dans des situations (classiques) assez générique, tel qu'il semble possible que la relativité intriquée soit en fait un achèvement de la théorie générale de la relativité d'Einstein. Comme la théorie converge vers (ou redonne) la relativité générale de manière assez générique, il est difficile de trouver des déviations par rapport à la relativité générale. De petites déviations apparaissent néanmoins à très hautes densités, telles que pour les densités des naines blanches, des étoiles à neutrons ou de l'univers primordial. La thèse aura pour but de trouver et d'analyser de nouveaux effets prédits par la théorie à très hautes densités, dans l'optique d'une recherche de ces effets, ou de leurs conséquences, dans l'univers observable. Bien entendu, toute idée nouvelle et intéressante pourrait changer le cours de ce projet.

Despite its incredible successes, there exist several indications already that general relativity may actually be a limit of an even more general theory. As for Newtonian gravity in the early 19's – which was fundamentally not compatible with the laws of electromagnetism and special relativity – one has to dig into the inconsistencies of general relativity to come to that conclusion. The first indication that comes to mind – and which was notably celebrated by the Nobel committee in 2020 by giving the Nobel prize in Physics to Roger Penrose – is the fact that singularities, in particular inside black holes, seem to be unavoidable in general relativity. But the very definition of general relativity rely on the existence of space-time. It means that general relativity predicts objects (black-holes) in which even the definition of the theory can no longer be formulated. It is not a stretch to say that this is paradoxical. Another, perhaps related, inconsistency is that general relativity can be formulated in vacuum – and even have a zoo of vacuum solutions. Although it has been somewhat forgotten these days, it turns out that this fact violates one of the three principles that Einstein thought general relativity was based upon – that is, it violates the principle of relativity of inertia that Einstein named Mach's Principle. Indeed, for Einstein, inertia cannot be defined in vacuum (but should be defined through the existence of surrounding matter) as it would provide an absolute (rather than relative) nature to space-time, à la Newton. Indeed, in a relativistic theory, inertia is determined through the space-time metric – such that inertia can be defined as soon as a space-time exists, and nothing prevents space-time to exist without matter in general relativity. In 2015, Hendrick Ludwig and Olivier Minazzoli, later joined by Slavatore Capozziello, found a new general theory of relativity that cannot even be defined if matter is not defined at the same time. It means that vacuum cannot even be considered in this framework, which is much more in line with the principle of relativity of inertia that was dear to Einstein. Subsequent works named this theory entangled relativity, as matter and space-time are entangled (in the etymological sense) in this theory – since one cannot even theoretically define (or consider) one without the other. Those works also found that general relativity actually was a limit in fairly generic (classical) situations, such that it now seems possible – at least up to further scrutiny – that entangled relativity actually might be a completion of general relativity. Because entangled relativity converges (or reduces) to general relativity in many situations, it is difficult to find deviations of its phenomenology from the one of general relativity. Nevertheless, deviations occure at high density, such as in white dwarfs, in neutron stars, or in the primordial universe. The main goal of the PhD thesis will be to find and analyse new effects that would be predicted by the theory at high density, in order to search for their signatures in the observable universe Of course, any new interesting idea along the road may change the course of this proposal.