ARTICLE ORIGINAL
ARAÚJO, Leonardo Oliveira de[1]
ARAÚJO, Leonardo Oliveira de. Un univers discret comme proposition d’unification de la physique. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. An. 07, éd. 02, Vol. 02, p. 122-138. Février 2022. ISSN : 2448-0959, lien d’accès : https://www.nucleodoconhecimento.com.br/fisica-fr/dunification-de-la-physique, DOI: 10.32749/nucleodoconhecimento.com.br/fisica-fr/dunification-de-la-physique
Cet article s’inscrit dans le contexte des recherches de formulations générales de la Physique qui proposent des réponses satisfaisantes pour l’unification des théories de la Mécanique Quantique et de la Relativité Générale, contribuant en outre aux études qui abordent une structure discrète de l’espace-temps et une théorie quantique. à la gravité. L’objectif est de présenter une structure primaire dans laquelle la matière et l’espace-temps émergent comme des arrangements possibles, compatibles avec l’univers observable et avec les deux grandes théories évoquées. La méthodologie est basée sur la transformée en ondelettes discrètes, un outil mathématique répandu dans le domaine du traitement du signal, utilisé pour modéliser la structure primaire à partir de laquelle l’espace-temps et les particules dérivent. Les efforts d’unification qui composent les théories des cordes et la gravité quantique en boucle sont utilisés dans cette proposition. Les résultats permettent d’atteindre l’objectif annoncé et, en plus, de modéliser l’énergie noire et la matière noire. De plus, une observation expérimentale est proposée pour valider cette proposition.
Mots clés : Unification, Physique Quantique, Relativité, Mécanique Quantique, Transformée en Ondelettes.
Les théories restreinte et générale de la relativité (EINSTEIN, 1995 ; PIATTELLA, 2020 ; EINSTEIN, 1922) ont reformulé la compréhension de l’espace et du temps, les présentant comme faisant partie d’une structure unique : le continuum espace-temps. De plus, dans la théorie générale de la relativité, il est établi que la gravité est l’interprétation de la déformation de l’espace-temps.
La conclusion que l’énergie a des valeurs discrètes a mis en lumière une série d’expériences, de formulations conceptuelles et de modèles mathématiques qui, comme la relativité, s’éloignent de la physique classique non relativiste (respectant le sens commun) apparue jusqu’à la fin du 19e siècle. . Cet ensemble de concepts est condensé dans la Mécanique Quantique (STAMATESCU et SEILER, 2007).
La relativité et la mécanique quantique connaissent un énorme succès dans la prédiction des résultats théoriques si elles sont confrontées à des expériences. Malgré d’autres considérations, ces deux supports de la physique moderne ont leurs formulations dans le continuum espace-temps.
Le large succès de l’application de la Théorie des Champs à la Mécanique Quantique a permis d’apporter efficacité et compréhension au domaine des phénomènes et aux études de cette Mécanique. C’est cette combinaison qui aboutit au modèle standard actuel de la physique des particules.
Cependant, la tentative d’appliquer de la même manière la théorie des champs à la relativité générale s’est avérée frustrante (KUCHA, 1988). Cela a mis en évidence la difficulté de modéliser la gravité comme le champ d’une force médiée par une particule discrète, dans ce cas, le graviton.
En conséquence, la mécanique quantique présente trois des quatre forces qui existent dans la nature (électromagnétique, forte, faible et gravitationnelle) médiées par des particules, c’est-à-dire qu’elles sont des agents d’action discrète, mais elle ne traite pas de la force gravitationnelle (BOJOWALD , 2015).
La Relativité Générale explique la quatrième force (la gravité) comme un agent continu de transmission : l’espace-temps. Plus que cela, la déformation de l’espace-temps (gravité) est causée par la présence de masse (interdépendance de la scène, de l’espace-temps et des acteurs, de la masse et de l’énergie) : pas de masse, pas de déformations.
Cependant, certaines études disponibles dans la littérature (CHIAO, 2003 ; GREENE, 2001 ; SMOLIN, 2002 ; KAKU, 2000) nécessitent la combinaison des deux théories. Le problème est que cela peut générer des résultats incongrus, notamment, en particulier, l’infini est obtenu comme valeur des grandeurs physiques (absurde). De plus, de la mécanique quantique, le principe d’incertitude conduit à la conclusion que, dans un vide absolu, tous les champs (y compris les champs gravitationnels), à une échelle suffisamment petite, doivent osciller (au hasard). En effet, il y aurait génération et variation de champ gravitationnel sans la présence de masse, ce qui va à l’encontre de la Théorie Générale de la Relativité.
Cela dit, il apparaît qu’il existe un profond désaccord structurel fondamental concernant les causes et les effets dans l’utilisation conjointe de la mécanique quantique et de la relativité (CHIAO, 2003), un problème qui doit être résolu afin d’obtenir un modèle unifié qui corrèle les effets physiques , observations et théories (GREENE, 2001 ; SMOLIN, 2002 ; KAKU, 2000).
Feynman dit que le seul véritable test d’une théorie scientifique est l’expérimentation (FEYNMAN, 1965). En prenant cela comme prémisse, il est nécessaire de se concentrer sur le succès et la précision de la Relativité et de la Mécanique Quantique comme balises pour toute nouvelle théorie qui cherche à les unifier.
Une façon de garantir l’alignement susmentionné est de conserver l’espace-temps comme élément de transmission de l’information gravitationnelle, c’est-à-dire que l’agent à travers lequel la présence de cette force fondamentale de la nature est perçue est la déformation de l’espace-temps. En parallèle, le traitement discret appliqué aux autres médiateurs de force doit être maintenu, ce qui conduit plusieurs études à une formulation discrète du médiateur gravitationnel (SCHULZ, 2014 ; BOJOWALD, 2015).
En effet, une solution possible cohérente avec de tels piliers présentera une discrétisation spatio-temporelle. La littérature scientifique apporte quelques exemples (DOPLICHER et al., 1994) dans lesquels l’espace-temps commence à être perçu comme un Espace-Temps Quantifié (ET Q). Il est essentiel que l’ET Q présente une caractéristique qui, dans des interprétations à grande échelle, c’est-à-dire dans des segments dimensionnels compatibles avec ceux impliqués dans les expériences menées jusqu’à présent, équivaut à une déformation dans l’espace-temps si celle-ci est supposée, même dans une approximation, comme continue.
Ainsi, on peut affirmer que les lois physiques doivent être représentées par un modèle valable par rapport aux expériences et approximations envisagées dans d’autres théories qui présentent une validité d’usage plus restreinte (covariance théorique).
Notez qu’en fin de compte, la covariance théorique aboutit à une profonde unification, dans le sens où elle souligne la nécessité pour l’ET Q d’être défini par le même ensemble d’informations de base qui définit la matière-énergie.
Ce n’est pas l’intention de cet article de présenter des ajustements ou des ajustements aux équations qui modélisent la gravité ou d’autres forces. Mais l’objectif est de définir le modèle physico-mathématique d’un point générique de l’univers pour permettre la détermination de telles équations. Par conséquent, en plus de cette introduction, ce manuscrit est structuré comme suit : une présentation des principes de la transformée discrète en ondelettes, base du modèle proposé ; la présentation de l’apport principal de cet article, abordant quelques aspects particuliers, notamment des considérations sur la matière noire et l’énergie, et des observations qui peuvent prouver ou infirmer le modèle présenté ; et enfin une brève conclusion.
La transformée en ondelettes discrètes (TOD) est utilisée pour représenter des fonctions quadratiquement intégrables, c’est-à-dire la
(1)
Ainsi, une fonction est représentée par :
(2)
sur quoi
Ces espaces fonctionnels ont les caractéristiques suivantes :
Les espaces ?0 et ?k sont générés par (BURRUS et al., 1998) :
Figure 01 : Relation entre les espaces ?j, ?k e ?kj.
Dans l’équation (3b), et selon la Figure 01, il s’avère que l’espace fonctionnel ?j est défini comme le complément orthogonal de ?j par rapport à ?j+1.
Les fonctions de base
(6)
Bien qu’il ne soit pas obligatoire d’être une ondelette, dans cette étude, les fonctions
Désormais, la notation de Dirac (DIRAC, 1939), Bra-Ket, sera utilisée pour désigner les fonctions de base des ondelettes. En fait, (2) se réécrit comme suit :
(7)
Dans la présente étude, les hypothèses (P) et les conditions aux limites (CC) sont utilisées pour établir un modèle standard, à définir dans les équations suivantes, et lui appliquer ce qui est vérifié dans l’univers connu.
Avant de présenter la définition du principe d’unicité, il est nécessaire d’introduire le postulat suivant :
Prémisse P 01 : l’univers peut être modélisé à partir d’une seule grandeur physique et de ses variations. La grandeur précitée est appelée arché, terme utilisé par les philosophes présocratiques pour désigner la substance originelle (SPINELLI, 2002).
Arché et une image générique de cette ampleur sont respectivement notés
Le principe d’unicité est défini comme suit :
– Arché est la grandeur physique de base de la nature, dont dérivent les autres ;
– Les dimensions physiques sont discrètes et peuvent être représentées par des fonctions de base orthonormées ;
– Les particules ont leurs propriétés définies par le vecteur de coefficients A (dont les composantes sont associées aux fonctions mentionnées) ; et
– Les causes et les effets qui relient les particules et les dimensions définissent les lois de la nature.
En effet, considérons un univers discret hypothétique pour lequel :
–
–
rassemble toutes les informations qui définissent une particule.
Dans cette étude, la polarité positive et négative désigne respectivement,
Ensuite, il est possible de représenter la k-esima dimension spatiale (Sk) en utilisant une fonction de base de TOD
Ainsi, il est possible de définir initialement
(8)
Sur quoi
Dans le cas particulier où
Dans le cas particulier de l’univers observé, K*=3.
Puis,
Comme l’équation (8) représente un point générique dans l’univers avec K dimensions spatiales dans le sous-ensemble énuméré par t, les sous-ensembles
(9)
Cela dit, il est nécessaire de décrire comment les coefficients de A, qui définissent les particules et sont présents dans tout élément appartenant
Condition aux limites CC 01 : l’espace vide, le vide, présente d’intenses variations de champs à des échelles réduites.
En effet : t est équivalent à la dimension (discrète) dans laquelle se vérifie l’évolution des K dimensions spatiales, c’est-à-dire qu’il est l’unité équivalente au temps de Planck ; et le vide est une conséquence de la variation aléatoire (non-courants) des coefficients appartenant à A dans des régions définies de S le long
Ainsi, l’identification effective d’une particule dans
(10)
Compte tenu de la modélisation présentée dans l’équation (10), un univers hypothétique peut être défini
(11)
Ainsi, l’espace, le temps et les particules résultent d’interprétations, avec des approches particulières, d’une même structure de base, représentée par l’équation (10).
Ajouter
Ce modèle utilise la cartographie des paramètres de la Théorie des Cordes (POLCHINSKI, 1998 ; BARBÓN, 2004 ; ABDALLA, 2005), ou de la Théorie des Supercordes, dans la description présentée dans l’équation (8). Dans ce cas:
– La quantité de dimensions spatiales prévues dans la variante de la théorie des cordes considérée, ajoutée par toute(s) dimension(s) en raison de la nécessité d’exprimer des paramètres (tels que des cordes fermées, des boucles), est donnée par K ; et
– Les coefficients
Un avantage robuste de cette modélisation est que la théorie des cordes devient une théorie indépendante de l’arrière-plan (c’est-à-dire que l’espace-temps devient également l’objet d’explication de la théorie, dans ce cas, l’ET Q).
Considérant les équations (8) et (10), le terme Spaj est utilisé dans cet article pour désigner les effets des coefficients du vecteur A (en tout ou en partie) liés à Sk et qui définissent leurs effets dans celui-ci.
Prémisse P 02 : Spaj affecte Sk, c’est-à-dire :
a des particules comme médiateurs de force, la modélisation actuelle aboutirait à quelque chose de similaire au modèle 1 et n’expliquerait pas l’action des sources de gravité dans l’espace-temps, pilier de la relativité générale (bien qu’elle puisse expliquer la gravité comme échange de graviton). Ensuite, étant donné P 02, dans le modèle 2, il est nécessaire de décrire comment Sk agit comme médiateur de force, remplaçant les particules virtuelles. Cette explication est similaire à celle présentée dans la relativité générale.
Condition aux limites CC 02 : la masse est une grandeur conventionnellement positive et source de gravité.
Suite à la modélisation de
Alors, étant donné P 01, P 02, CC 01, CC 02 et le fait que la gravité agit sur Sk0, la masse résulte des composantes de
Comment
– La gravité résulte de la même polarité de
– Différentes polarités (cohérent avec
Cette généralisation proposée, selon l’équation (10), a le potentiel d’expliquer et de modéliser l’Inflation Cosmique (GUTH et STEINHARDT, 1984) et les effets attribués à la matière noire (CORBELLI et SALUCCI, 1999 ; FENG, 2010) et à l’énergie noire ( RIESS et al., 1998) à partir des propriétés de
Dans le cas des trois dimensions spatiales étendues, les actions gravitationnelles et antigravitationnelles sur Sk sont vérifiées comme une interprétation de :
– Gradient : l’existence de
(coefficients de polarité inverse) induisent une source de champ antigravité, le tissu même du TSQ (espace-temps extensible), entre les particules.
La convergence du flux ET Q a une intensité équivalente à la courbure (discrète) de l’espace-temps présentée dans la relativité générale. Complémentairement, l’absence de la polarisation précitée se traduit par une distension spatio-temporelle.
Cependant, ces modèles sont complètement arbitraires s’il n’y a pas de loi ou de propriété qui définit une limite ou une règle pour
Prémisse P 03 : la somme des coefficients des dimensions spatiales à un instant t est nulle :
(12)
Donc chaque coefficient
Bien que pour
En effet, étant donné que
Il est intéressant de noter qu’entre les deux régions de polarités inversées (la galaxie et la matière noire) il y aura de l’antigravité dans une ceinture de polarités nulles. En effet, à la limite de cette ceinture avec les galaxies, des forces antigravitationnelles poussent leur périphérie vers leur intérieur, effet du flux d’ET Q de la divergence au gradient. Ensuite, comme la modélisation en construction est celle de l’univers que nous observons, des prédictions peuvent être faites :
– Entre une galaxie et la matière noire qui l’entoure, il y a au moins une région étroite sans effets gravitationnels pertinents et, par conséquent, s’il y a plus de ceintures gravitationnelles, elles peuvent également être observées à travers leurs effets, générant des régions alternées avec et sans lentille gravitationnelle ; et
– Dans la collision entre galaxies, avant la rencontre directe de la matière qui compose chacune d’elles, l’effet antigravitationnel sera perceptible étant donné que la ceinture de
Alors, juste au moment où il apparaît entre les ceintures
Figure 02 : illustration des actions de la gravité et de l’antigravité dans une galaxie (en bleu) : les ceintures jaune et verte indiquent respectivement les domaines de la matière noire et de l’énergie.
Il est à noter que les sous-ensembles
Pour
et , et des regroupements de ceux-ci dans un univers embryonnaire, définissant la morphologie ET Q et la disposition de la matière en son sein.
De même, la définition des lois naturelles vérifiées dans notre univers est une particularité parmi les états superposés de
particulier après la perte de chevauchement.
Il est intéressant de noter que l’hypothèse d’une ET Q permet de résoudre la question suivante.
Selon la relativité générale, pour
proches comme vous le souhaitez (y compris dans l’horizon des événements) et pourtant il n’y a pas d’effondrement (étrange) dans le temps d’aucun corps massif (étoiles, planètes, une casserole dans la cuisine d’une maison ou un proton dans le noyau d’un hélium atome). Dans la structure dimensionnelle continue, il n’y a aucune explication à la non-existence de l’effondrement susmentionné.
Les autres forces trouvées peuvent être modélisées avec des dimensions spatiales supplémentaires et une extension unitaire, comme proposé par la théorie des cordes et ses variantes. Mais, contrairement à ceux-ci, la proposition est que les dimensions remplacent les champs, comme la gravité. En effet, prenons l’exemple de la force électromagnétique.
Considérons que k = 3 dans l’équation (8) définit l’actionnement Spaj correspondant à la force électromagnétique. Bien qu’elle soit unitaire en étendue spatiale, cela suffit pour une surface d’épaisseur unitaire parallèle à chaque dimension spatiale et, en effet, l’attraction ou la répulsion dans cette couche parallèle se traduit par l’accélération des particules dans la dimension spatiale.
La différence entre Spaj gravitationnel et électromagnétique est que pour ce dernier on a :
– Des polarités identiques entraînent une génération S3 divergente ; et
– Des polarités différentes constituent des gradients, contraction de S3.
Des mécanismes similaires peuvent être appliqués à d’autres forces (telles que 3 dimensions unitaires pour les charges de couleur, présentes dans les quarks et les gluons) et à d’autres propriétés des particules (le spin, par exemple), à condition que la modélisation discrète aboutisse à l’approximation continue présentée dans les expériences et la littérature.
Dans cet article, un modèle a été proposé pour l’unification de la mécanique quantique et de la relativité générale : l’espace, le temps et la matière sont traités comme des informations quantiques générées par une seule variable physique. La proposition peut soit être utilisée pour généraliser la théorie des cordes (et ses variantes), en incorporant l’ET Q, ainsi que pour établir des paramètres qui qualifient les particules et leur relation avec l’espace-temps discret, modifiant la conception selon laquelle les particules messagères interviennent dans la relation entre les autres particules pour une intermédiation effectuée par des unités dimensionnelles discrètes. Dans ce dernier cas, en particulier, les 3 dimensions spatiales élargies de l’ET Q constituent le champ gravitationnel.
De plus, le modèle fournit une explication de la matière noire et de l’énergie noire, présentant les sources gravitationnelles et antigravitationnelles comme un résultat naturel des paramètres qui définissent la matière et des conditions aux limites vérifiées expérimentalement.
Enfin, des effets vérifiables ont été proposés afin que le modèle présenté puisse être testé empiriquement.
La théorie proposée dans cette étude présente des lacunes qui empêchent une explication complète décrivant notre univers, telles que : elle n’est pas en mesure d’expliquer la raison pour laquelle la multiplicité des particules possibles à modéliser, selon l’équation (10), n’est pas observée ; n’est pas structurée comme une proposition qui réponde à la raison pour laquelle la dynamique observée, compte tenu des coordonnées k, j et t, décrit spécifiquement
de notre univers, une question apparemment liée à la question de l’effondrement de la fonction d’onde ou des mesures (BASSI et al., 2013), également non abordée dans cette étude ; n’apporte pas de solution aux conditions singulières du début de l’univers (PENROSE, 2006) ; et, bien qu’il permette de modéliser des particularités de l’évolution de l’univers, comme l’Inflation Cosmique, il ne présente pas une approche des causes possibles.
Comme propositions de travaux futurs, en plus des expériences qui peuvent prouver ou infirmer la présente étude, la déduction des équations discrètes (ou l’adéquation des équations existantes) à partir des modèles disponibles dans la littérature scientifique sur le sujet est indiquée et, à partir de l’équation (10 ) , vérifiez s’il existe une corrélation possible avec le principe d’incertitude.
Pour l’attention et le travail qu’ils ont eu, m’ont aidé à corriger le texte de cet article, à le réviser et à proposer des suggestions, je tiens à remercier : Eduardo de Almeida Cadorin, Laís Santis de Oliveira, Marlanfe Michaelis Rocha de Oliveira, Michelena do Nascimento Santana , Paulo Cesar Pellanda et Saul de Oliveira Santana.
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[1] Docteur en Ingénierie de Défense (orientation mécatronique), Master en Génie Electrique (orientation commande), spécialiste en Management de l’Innovation Technologique, diplômé en Génie Electrique et Sciences Militaires. ORCID : 0000-0002-9524-4643.
Envoyé : Décembre 2021.
Approuvé : Février 2022.
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