Utilisateur:J. N. Squire/Brouillon/Modèle cosmologique bi-métrique

Introduction

Contexte historique

Le modèle standard de la cosmologie

(Faire un très court résumé de quoi il s'agit. On pourrait s'intéresser ici au contexte qui est à l'origine des propositions d'alternatives au modèle.)

Évolution historique des théories bimétriques

Dans le premier ensemble de théories mentionné en introduction, si les deux métriques sont dynamiques et interagissent, une première possibilité implique deux modes de graviton, l'un avec masse et l'autre sans masse; de telles théories bimétriques sont alors très proches de la gravité massive (en)^[évasif]. Plusieurs théories bimétriques avec des gravitons massifs existent, telles que celles attribuées à Nathan Rosen (1909–1995) ou Mordehai Milgrom avec la théorie bimétrique MOND, qui est une généralisation relativiste de la théorie MOND. Plus récemment, des développements de la gravité massive ont aussi conduits à de nouvelles variantes dans le domaine de la gravité bimétrique. Cependant aucune d'entre elles n'a pu rendre compte des observations physiques plus précisément ou de manière plus cohérente que la théorie de la relativité générale. Will et Eardley ont montré que la théorie de Rosen était incompatible avec les observations du pulsar binaire Hulse–Taylor^{[réf. à confirmer]}. Quelques-unes de ces théories conduisent à une accélération de l'expansion cosmique à des ères tardives et sont de ce fait des alternatives à l'énergie noire.

Andreï Sakharov fut un des précurseurs des modèles bimétriques et on peut considérer qu'il ouvrit la voie pour les travaux ultérieurs dans ce domaine.^{[Information douteuse]} }} La théorie de Born-Infeld (1934) pourrait être considérée selon Moffat^{[réf. nécessaire]} comme une toute première forme de modèle bimétrique, bien qu'elle ne s'applique pas à la gravité.

À la suite du paradoxe de la violation de symétrie CP, Andreï Sakharov émit en 1967 l'hypothèse de l'existence d'un deuxième univers, parallèle, où de manière symétrique l'antimatière prédominerait sur la matière. La partition de l'univers fondamental en deux univers parallèles appelés « feuillets» dans lesquels prédominerait la matière pour l'un et l'antimatière pour l'autre pourrait ainsi réconcilier modèle cosmologique et observations. Cet univers jumeau serait en symétrie CPT par rapport au nôtre :

• avec une inversion des signes des charges quantiques (symétrie C),
• et géométriquement inversée (symétrie P),
• mais également la flèche du temps y serait en opposition (symétrie T).

Ces propriétés font que la matière habituelle y serait remplacée par une antimatière telle que définie initialement par Stueckelberg (l'idée des antiparticules qui "reculent dans le temps" est reprise par Feynman dans ses diagrammes). Cette hypothèse hors du modèle standard actuel n'a débouché pour l'instant que sur peu de travaux scientifiques^{[évasif][réf. nécessaire]}.

En décembre 2018, Latham Boyle, Kieran Finn et Neil Turok ont fait publier un modèle cosmologique fondé sur l'existence d'un univers miroir du nôtre, peuplé d'antimatière et "remontant le temps", exactement comme celui de Sakharov qui n'est pas cité par ces auteurs. Il est donc en symétrie CPT. C'est une explication soulignée comme "évidente" de la présence de matière et l'absence d'antimatière dans notre univers connu. Les aspects topologiques et les équations de champ issues du modèle ne sont pas développés. Les auteurs introduisent une nouvelle espèce hypothétique de neutrino de très grande masse (plus de 500 millions de fois plus lourd que le proton, soit 4,8×10^8  GeV/c²) comme explication candidate à la nature de la matière noire^{[réf. à confirmer]}.

Les différentes variantes

(Ne pas hésiter à regrouper en catégories de théories si des points communs sont notoirement mis en avant.)

1967 : Modèle d'Andreï Sakharov

Andreï Sakharov publia son modèle cosmologique à partir de 1967. En 1967, Sakharov a abordé l'asymétrie baryonique de l'univers considérant pour la première fois des phénomènes liés à la symétrie CPT se produisant avant le Big Bang (c'est-à-dire avec une coordonnée t négative) :

« We can visualize that neutral spinless maximons (or photons) are produced at t < 0 from contracting matter having an excess of antiquarks, that they pass "one through the other" at the instant t = 0 when the density is infinite, and decay with an excess of quarks when t > 0, realizing total CPT symmetry of the universe. All the phenomena at t < 0 are assumed in this hypothesis to be CPT reflections of the phenomena at t> 0. »

Sakharov fut le premier scientifique à introduire des univers complémentaires qu'il appelle des "feuillets". Il décrit une symétrie CPT complète puisque le second feuillet est peuplé par la "matière ombre" invisible qui est de l'antimatière (symétrie C) à cause d'une violation de la symétrie CP opposée dans ce feuillet, et les deux feuillets sont en miroir à la fois par rapport à l'espace (symétrie P) et par rapport au temps (symétrie T) à partir de la même singularité gravitationnelle initiale. Pour satisfaire aux conditions qu'il a lui-même découvertes, Sakharov considère dans tous ses modèles cosmologiques des interactions nouvelles entre les particules, interactions qui brisent la conservation du nombre baryonique et du nombre leptonique. Par exemple, il étudie un courant quark-muon ou l'hypothèse plus spécifique de boson leptoquark (en). Il a continué à développer ce modèle cosmologique pendant vingt ans . Les études de Sakharov ont été traduites en français et rassemblées dans un livre publié en 1984, 17 ans après la parution de la première publication en russe.

1977 : Modèle cosmologique Janus

En 1977, les premières études sont publiées portant sur deux univers en miroir avec des flèches du temps opposées. Le modèle cosmologique bimétrique Janus (JCM), précédemment appelé « théorie de l'univers gémellaire », ou « modèle d'univers multi-feuillets » ou encore « théorie des univers jumeaux », a commencé à être développé par Jean-Pierre Petit en 1977^{[réf. nécessaire]}.

C'est un modèle cosmologique représentant l'univers connu comme le miroir d'un « univers-ombre », formant deux versants ou feuillets qui interagissent uniquement grâce à la gravitation^{[réf. nécessaire]}. Ce modèle énantiomorphique est une extension débutée par Petit du modèle introduit par Sakharov^{[réf. nécessaire]}. Il ne propose pas de nouvelles interactions sur le sujet de la violation du nombre baryonique, et ne considére que les interactions du modèle standard de particules et les symétries, ainsi qu'un possible changement de topologie de l'univers dans l'ère primordiale (formation du second feuillet)^{[source insuffisante]}. En 2014, D'Agostini et Petit écrivaient^{[pertinence contestée]} :

« Species with positive and negative mass behave differently, the whole being fully asymmetric. Sakharov was the first to imagine an asymmetry in the characteristic times of production of baryons from quarks, and of antibaryons from antiquarks in our Universe. He suggested that the two twin Universes owned opposite arrows of time (notice that according to dynamical group theory time inversion goes with mass inversion). He suggested that different rates of production of baryons and antibaryons could explain the absence of cosmological antibaryons in our orthochron Universe of positive masses and energies, while “primeval baryons” would be absent in the twin Universe. This would go with a remnant of free antiquarks in our fold and a remnant of quarks with negative energy in the twin [Universe]. »

2005 : Modèle bimétrique Dark Gravity

Le modèle bimétrique Dark Gravity est proposé par Frédéric Henry-Couannier.

Le point de départ est une action.

$S[g,{\tilde {g}}]=\int (R+L)dV+\int ({\tilde {R}}+{\tilde {L}})d{\tilde {V}}$.

$R$ est le scalaire de Ricci, L la densité de Lagrangien de la matière, dV un élément de volume. Les caractères normaux représentent la première métrique, les tildes la deuxième. Les deux métriques g et ${\tilde {g}}$ sont liées par une relation (qui fait intervenir la métrique de Minkowski). Ainsi, une variation de g entraîne une variation de ${\tilde {g}}$, produisant une équation.

On cherche g et ${\tilde {g}}$ vérifiant δS = 0.

En relativité générale, l'action ne comporte pas la deuxième intégrale (avec les tildes). Ce terme supplémentaire modifie la dynamique du système, et engendre une nouvelle phénoménologie

F. Henry-Couannier a ensuite continué à développer sur cette base son propre modèle d'extension bimétrique de la relativité générale baptisé Dark Gravity

2008 : Théorie bimétrique avec échange de symétrie

Proposée par Sabine Hossenfelder en 2008, elle dérive d'une action.

Cet article recense également d'autres versions de modèles bimétriques qui partagent des considérations de symétrie similaires.

Voir aussi

• Alternatives à la relativité rénérale (en)