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Frédéric Henry-Couannier CPPM/RENOIR Marseille www.darksideofgravity.com RG: limites et alternatives.

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1 Frédéric Henry-Couannier CPPM/RENOIR Marseille RG: limites et alternatives

2 Lintuition essentielle La science est possible (le réèl est intelligible) Il est possible, via une chaîne de raisonnements et de calculs, de rendre compte qualitativement et quantitativement dune multitude de faits dobservation (idéalement tous) à partir dun nombre restreint de principes invariants (idéalement un seul et non arbitraire) et de constantes fondamentales. Auto-cohérence et accord avec lexpérience mais aussi prédictivité donc falsifiabilité

3 Lintuition essentielle Principale raison dy tenir: extrêmement improbable à priori, lintuition sest confirmée à maintes reprises de façon stupéfiante entraînant des progrès spectaculaires des connaissances et de la technologie. Symptômes du renoncement: démarche descriptive consistant à introduire au fur et à mesure que des anomalies se présentent, de nouvelles combinaisons didées et paramètres libres: les épicycles. Ces symptômes révèlent des insuffisances des cadres théoriques: principes pas assez contraignants ou produisant de lincalculabilité.

4 RG: des principes aux équations La science est possible Espace-temps différentiable Action du MS (g 1 : , A ) Principe dextrême Action 1. Covariance générale Action de la RG +4. Equations dEinstein

5 RG : équations et phénomènes Le champ g ne représente pas seulement une pseudo-force, il décrit correctement une interaction: la gravité. g est identifié à la métrique de lespace-temps g très différent des champs habituels: décrit géométrie, déformations, courbure dun espace- temps désormais dynamique. Les diverses formes du principe déquivalence sont valides et peuvent être testées

6 RG Points forts: –Grande beauté conceptuelle et triomphe de la symétrie –Testée avec succès (« with flying colors ») dans de nombreux secteurs de la gravité Les limites ?: –Calcul exact impossible en général, calcul approximatif extrêmement fastidieux en pratique –Non prédictive en cosmologie sans le principe cosmologique fort –Incompatibilité notoire avec la Mécanique Quantique –Elimination artificielle dun nombre infini de termes possibles: Gauss-Bonnet, Puissances de la courbure…

7 Nombreux secteurs non testés Le domaine PostPostNewtonien La pression comme source de la gravité Lhorizon du trou noir Le gravito-magnétisme Les ondes gravitationnelles (polarisation, vitesse)

8 Des anomalies ? Localement: leffet Pioneer ? Globalement: la cosmologie ? –Les tests PN de la gravité ne nous disent pas que la RG est valide dans le domaine cosmologique ! –RG sans Principe Cosmo non prédictive & Principe Cosmo invalide pour une bulle sphérique vide dans 1 univers homogène –RG + Principe Cosmologique + Dark matter + Inflation + Dark energy = construction épicycle quels que soient ses succès ! - Ingrédients ad hoc et énigmatiques - Paramètres libres - Cortège danomalies résiduelles: lithium, anisotropies du CMB ? - Toute construction reposant sur RG + Principe Cosmologique ne peut devoir son succès quà une paramétrisation heureuse

9 Des théories concurrentes Les théories directement confrontées aux tests (tenseur- scalaire et autres théories effectives motivées par les super-cordes à basse énergie) procèdent par la démarche toujours épicyclique qui consiste à introduire des termes supplémentaires dans les actions avec leurs constantes de couplage associées. Paysage de théories aux niveaux fondamental et effectif ! Démarche scientifique ?

10 Une autre voie ? Si g est un champ comme les autres, lespace- temps est plat et non dynamique de métrique de background: Riem 0 Théories à la mode dans les années 70 (Rosen, Rastall, Ni, Belinfante…) Introduisent explicitement dans laction Violent toutes brutalement le principe déquivalence fort exclues par les tests

11 En présence du fond le champ gravitationnel possède deux versants! et doivent être traités de façon symétrique dans laction!

12 Equations de DG=RG avec fond Nouvelles équations On extrêmise laction & élimine

13 DG: La gravité avec son coté obscur DG mime les théories de bi-gravité: Notre Modèle Standard vit dans Le Modèle standard de lautre versant vit dans monde invisible de notre point de vue Les deux gravités sont liées (On vérifiera que la connexion est anti-gravitationnelle entre les 2 mondes)

14 Deux formes de g pour une description complète et correcte de la gravité Forme Isotrope: Deux formes possibles: et Cosmologie OG Gravité Pioneer

15 DG Encore plus de symétrie Tests PN de la gravité OK Effet Pioneer complètement expliqué Calcul toujours élémentaire Prédictivité en cosmologie Compatible avec la Mécanique Quantique Pas dautre paramètre libre que G

16 DG doit réhabiliter les symétries globales despace-temps Espace temps plat de métrique –Invariance Globale Lorentz-Poincaré courants de Noether –Symétries Discrètes Globales despace-temps et représentations mal- aimées du groupe de Lorentz ( énergies négatives, tachyons…) Toutes les solutions de DG satisfont effectivement :

17 Dans les systèmes de coordonnées où: - Invariance de forme de sous permutation des coordonnées spatiales - Invariance de forme de sous rotations Invariance de forme ( isométries)

18 g ne décrit pas des déformations de lespace et du temps… …mais variations de la vitesse de la lumière et des périodes caractéristiques des systèmes physiques perçues par un observateur extérieur (non plongé dans la gravité)! Interprétation de g = diag(B,A,A,A)

19 La symétrie de forme X (I) Forme la plus générale du champ complexe : A=1 symétrie X OK : B=A A 1, C=1 symétrie X restaurée par : B=1/A

20 La symétrie de forme X (II) Si C 1, A=i symétrie X restaurée par B = -A

21 La symétrie de forme X (III) Si A i et 1, C 1 viole la symétrie de forme X et lintroduction de ne peut y remédier. Conclusion: B=±A ou B=1/Aet Imposer ces symétries aux solutions doit fixer ou supprimer les constantes de tous les termes de laction de la RG autres que R !

22 RG Points forts: –Grande beauté conceptuelle et triomphe de la symétrie –Testée avec succès (« with flying colors ») dans de nombreux secteurs de la gravité Les limites ?: –Calcul exact impossible en général, calcul approximatif extrêmement fastidieux en pratique –Non prédictive en cosmologie sans le principe cosmologique fort –Incompatibilité notoire avec la Mécanique Quantique –Néglige un nombre infini de termes possibles: Gauss-Bonnet, Puissances de la courbure…

23 DG Encore plus de symétrie (globales, continues et discrètes) Tests PN de la gravité OK Effet Pioneer complètement expliqué Calcul toujours élémentaire Prédictivité en cosmologie Compatible avec la Mécanique Quantique Pas dautre paramètre libre que G

24 B=-A, le fond cosmologique –2 versants de la gravité homogènes et isotropes gravités spatialement plates –Source nulle (compensation exacte) les symétries déterminent complètement lévolution de B(t)=-A(t)

25 Univers a 2 (t)(dt 2 -d 2 ) Compréhension Standard : Inverser le temps = Remonter dans le temps : Inversion du temps Gravité obscure: Inverser le temps = Sauter dans la face cachée de lunivers 1 a(t)~ t -2 a -1 (t) t=0: Big Bang t t + - t a(t)~e -t a(t)~ t 2

26 Cosmologie B(t)=-A(t) 3 solutions discontinuités !? Symétrie temporelle vérifiée car a(t)=1/a(-t) Pas de paradoxe dinversion du temps Pas de singularité à t=0 A(t) naffecte que la matière, pas les photons

27 Leffet Pioneer Les faits: un blue-shift anormal du signal reçu des sondes Pioneer de 20 à 70 U.A: Interprétations possibles: –Une dérive temporelle des horloges Pioneer / Terre: –Une décélération anormale constante dirigée vers le soleil : Tous les effets systématiques envisagés ont été écartés.

28 Leffet Pioneer Une discontinuité entre 10 et 15 U.A ?!

29 Leffet Pioneer Une discontinuité entre 10 et 15 U.A !

30 Leffet Pioneer - Une discontinuité entre 10 et 15 U.A en 1983 ! - Une discontinuité qui se propage vers nous, a dépassé Jupiter en 1997, atteindra la terre vers ~ 2100 !! - Une discontinuité détectée par New Horizons à 0.4 UA de Jupiter !!!

31 La voici !

32 Leffet Pioneer et la RG Pas de traitement rigoureux de linfluence de lexpansion dun background sur la dynamique locale. Best effort: la solution de Mc Vittie r r*=a(t)r Effet daccélération négligeable lié à lexpansion dans g* 0r

33 Autres prédictions de DG Ondes « gravitationnelles » longitudinales Différents paramètres PPN, pas de Trou Noir Pas de frame-dragging, la pression et la gravité ne sourcent pas la gravité Tous les effets de discontinuité

34 Conclusion DG: lautre option dun choix binaire qui se présente au niveau des fondements conceptuels de la RG DG OK avec tous les tests PN, explique leffet Pioneer et très prédictive dans tous les secteurs de la gravité DG est une authentique théorie, i.e. exempte d épicycles. Un programme détude théorique et observationnel des effets de discontinuité sera probablement nécessaire avant de pouvoir aborder la cosmologie

35 Métrique en RG vs DG La métrique est lobjet qui sert à monter et descendre les indices de tout champ tensoriel RG: est la métrique RG est la théorie de DG: est la métrique DG est la théorie de la gravité à deux versants dépendants et

36 Gravité Locale Comme dans la théorie bi-métrique de JP Petit: –Objets sur le même versant de la gravité sattirent –Objets sur différents versants de la gravité se repoussent

37 DG: RG: (Schwarzschild) Gravité Locale


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