La severità bimétrique o bigravité comprende due diversi insiemi di modelli cosmologici . Il primo insieme si basa su teorie matematiche modificate della legge di gravità , in cui vengono utilizzati due tensori metrici invece di uno. La seconda metrica può essere introdotta nei calcoli per stati ad alta densità di energia , con l'implicazione che la velocità della luce potrebbe dipendere dalla densità di energia, il che consente ai modelli di utilizzare velocità variabile della luce . In questi casi, la seconda metrica si riferisce ai gravitoni , ipotetiche particelle dotate di massa (in) , e anche in alcuni studi di uno "spettro di massa". Si tratta quindi di estensioni della teoria della gravità di massa (in) .
Al contrario, le teorie della gravità bimetrica del secondo insieme non si basano su gravitoni massicci e non modificano le leggi di Newton , ma descrivono invece l'Universo come una varietà avente due metriche Riemanniane accoppiate dove la materia che abita i due settori interagiscono per gravità, includendo tra i due lati dell'universo. La gravità repulsiva e l' antigravità appaiono se la topologia e l' approssimazione newtoniana (in) consideravano l'introduzione di masse negative e stati di energia negativa (in) in cosmologia come alternativa alla materia oscura e all'energia oscura . Alcuni di questi modelli cosmologici utilizzano anche una velocità variabile della luce nello stato di alta densità energetica dell'era radiativa (in) , sfidando l'ipotesi dell'inflazione cosmica .
Esiste quindi una diversità di proposte di modelli bimetrici che il più delle volte hanno pochi aspetti in comune e che sono più o meno avanzati nella loro capacità di spiegare le osservazioni. Hossenfelder ne ha individuati 18 che condividono considerazioni di simmetria simili alle sue.
L'enigma di Antimatter - "Perché c'è così poca antimateria nell'universo?" "( Asimmetria barionica dell'universo), o in altre parole" perché è la materia che prevale sull'antimateria? ( Baryogenesis ) - ha portato anche per alcuni scienziati all'ipotesi di una forma di universo parallelo (ad esempio i fogli in simmetria CPT descritti da Andreï Sakharov e Jean-Pierre Petit ). Nell'ambito di una teoria quantistica dei campi, questa asimmetria richiede che siano soddisfatte le tre condizioni di Sakharov : una rottura della simmetria CP , una non conservazione del numero barionico e un processo termico fuori equilibrio che coinvolge questi due fenomeni. Il Modello Standard delle particelle mantiene questo numero barionico, e si ritiene generalmente che la violazione di CP presente nel Modello Standard non sia sufficiente a spiegare la materia in eccesso, richiedendo così una fisica oltre il Modello Standard .
La materia oscura come proposta di soluzione alla massa mancante dell'universoIl modello cosmologico postula l'esistenza della materia oscura per spiegare le velocità delle stelle all'interno delle galassie, le velocità delle galassie all'interno degli ammassi, le velocità degli ammassi all'interno dei superammassi, nonché gli effetti della forte lente gravitazionale attorno ai superammassi.
Il primo problema è che la materia oscura rappresenta da 10 a 30 volte più massa della materia visibile.
Il secondo problema è che il tensore energia-impulso della materia oscura potrebbe essere spostato in tutto o in parte dal lato destro al lato sinistro dell'equazione di Einstein , risultando in una teoria modificata della gravità, come ad esempio la teoria MOND , invece di mantenendo intatta la relatività generale e cambiando il contenuto nella materia. Tuttavia, l'osservazione dell'ammasso Bullet , e di altri ammassi simili, tende a supportare l'ipotesi della materia oscura a scapito di una modifica della gravità da parte della classica teoria MOND.
Un altro problema chiave è che, per adattarsi a un'estensione del Modello delle particelle standard, la materia oscura dovrebbe essere costituita da particelle. Il candidato preferito dagli anni '90 è il neutralino più leggero, previsto dalla supersimmetria . Ma nessuno degli esperimenti dedicati al rilevamento di queste particelle ( XENON , LUX (en) per le più importanti) le ha scoperte. Inoltre, l' LHC finora non ha mostrato prove di supersimmetria . La ricerca si sta ora spostando verso il dominio vergine delle particelle candidate per la materia oscura con una massa inferiore a 1 GeV e ci vorrebbe un decennio per essere fissata. Oggi, questa assenza di particelle candidate per la materia oscura è quindi un problema aperto.
L'espansione accelerata dell'universoÈ stato dimostrato dal 1998 che l'espansione dell'Universo sta accelerando, più precisamente del parametro di decelerazione
è negativo ed è oggi pari a -0,5275. Era 0 circa 6 miliardi di anni fa ed era positivo prima (prima fase di decelerazione nell'espansione dell'Universo). Continuerà in futuro a tendere verso il suo valore limite inferiore di -1 a cui corrisponderà anche un valore limite minimo di H (che decresce con il tempo) e un valore zero di Ḣ = dH / dt. Nell'ambito della metrica di Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker , che è la soluzione dell'equazione di Einstein per un universo omogeneo e isotropo, questa osservazione è il segno caratteristico che la costante cosmologica è diversa da zero. Si scopre che rappresenta addirittura circa il 70% della densità di energia totale , Ω Λ 0.7 0,7 (e ancor più precisamente 0,685 secondo le misurazioni dell'esperimento PLANCK ). La costante cosmologica è un parametro libero della relatività generale: come ha mostrato Elie Cartan , le equazioni più generali che dipendono linearmente dalle uniche derivate seconde della metrica sono le equazioni di Einstein con una costante cosmologica (il fatto che quest'ultima non fosse parte la prima versione della teoria pubblicata da Einstein è solo un incidente storico).
Due punti poi sollevano interrogativi. Prima di tutto, se proviamo a modellare la costante cosmologica come energia del vuoto, i tentativi di calcolo nella teoria quantistica dei campi con i metodi usuali danno un risultato diverso di 120 ordini di grandezza. Allora, la costante cosmologica rappresentava una frazione pari a 10 -95 di quella della materia ai tempi di Planck, il che pone un cosiddetto problema di messa a punto se questa costante fosse un fenomeno emergente da una teoria più fondamentale.
La risoluzione di queste domande è un argomento attivo di ricerca . Alcuni modelli cercano ad esempio di trovare una spiegazione unificata per la materia oscura e la costante cosmologica, come il modello del fluido oscuro , mentre altri cercano di modellare quest'ultimo solo introducendo un campo scalare da cui l'equazione di stato risulta in una costante cosmologica variabile nel tempo, che potrebbe consentire di risolvere il problema della regolazione fine sulla scala di Planck: vedi il modello della Quintessenza . Un altro approccio alla soluzione sono i modelli cosmologici bimetrici.
Nella prima serie di teorie citate nell'introduzione, se le due metriche sono dinamiche e interagiscono, una prima possibilità coinvolge due modi di gravitone , uno con massa e l'altro senza massa; tali teorie bimetriche sono quindi molto vicine alla gravità massiva (in) . Esistono diverse teorie bimetriche con gravitoni massicci, come quelle attribuite a Nathan Rosen (1909-1995) o Mordehai Milgrom con la teoria bimetrica MOND, che è una generalizzazione relativistica della teoria MOND . Più recentemente, gli sviluppi della gravità massiva hanno portato anche a nuove varianti nel campo della gravità bimetrica. Tuttavia, nessuno di loro potrebbe spiegare le osservazioni fisiche in modo più preciso o più coerente della teoria della relatività generale . La teoria di Rosen ha dimostrato di essere incompatibile con le osservazioni della pulsar binaria di Hulse-Taylor . Alcune di queste teorie portano ad un'accelerazione dell'espansione cosmica nelle ere tarde e sono quindi alternative all'energia oscura .
Andrei Sakharov è stato uno dei precursori dei modelli bimetrici e possiamo considerare che ha aperto la strada a ulteriori lavori in questo campo. La teoria di Born-Infeld (1934) potrebbe essere considerata secondo Moffat come una forma molto antica di modello bimetrico, sebbene non si applichi alla gravità.
Seguendo il paradosso della violazione della simmetria PC , Andrei Sakharov nel 1967 ipotizzò l'esistenza di un secondo universo, parallelo, in cui l'antimateria predominerebbe simmetricamente sulla materia. La partizione dell'universo fondamentale in due universi paralleli detti “fogli” in cui predomina la materia per l'uno e l'antimateria per l'altro potrebbe così conciliare modello cosmologico e osservazioni. Questo universo gemello sarebbe in simmetria CPT rispetto al nostro:
Queste proprietà significano che la solita materia sarebbe sostituita lì da un'antimateria come inizialmente definita da Stueckelberg (l'idea di antiparticelle che "si spostano indietro nel tempo" è ripresa da Feynman nei suoi diagrammi ).
Nel dicembre 2018, Latham Boyle, Kieran Finn e Neil Turok hanno pubblicato un modello cosmologico basato sull'esistenza di un nostro universo specchio, popolato di antimateria e "ritorno indietro nel tempo", simile a quello di Sakharov. È quindi in simmetria CPT. Questa è una spiegazione enfatizzata come " ovvia " per la presenza di materia e l'assenza di antimateria nel nostro universo conosciuto. Gli autori introducono una ipotetica nuova specie di neutrini di massa molto elevata (più di 500 milioni di volte più pesante del protone, o 4,8 × 10 8 GeV/c²) come possibile spiegazione per la natura della materia oscura.
Nel 1977, Jean-Pierre Petit iniziò a costruire una teoria della gravità atipica (non bimetrica e non relativistica). Nel 1994, il modello è stato sviluppato utilizzando una descrizione bimetrica dell'universo. Lo ha infine chiamato dopo il 2010 il modello cosmologico Giano in riferimento al dio dai 2 volti che “guarda contemporaneamente verso il futuro e verso il passato” in relazione alle due opposte frecce del tempo che caratterizzano i due universi gemelli ( simmetria CPT ). Subisce un'evoluzione nel 2015 per riflettere l'accelerazione dell'espansione dell'universo. Questa versione è stata invalidata ingennaio 2019 e nuovamente modificato di conseguenza, anche in gennaio 2019, a seguito di una critica del fisico Thibault Damour che dimostrava un'incoerenza interna del modello.
Questo modello non standard non ha suscitato molto interesse nella comunità scientifica sin dalle sue prime pubblicazioni.
Nella fisica delle particelle , la teoria mostra somiglianze con la materia specchio dei settori nascosti proposta in risposta alla violazione della simmetria CP . In relatività generale , successivi studi indipendenti sulla gravità bimetrica con masse positive e negative hanno portato alle stesse conclusioni per quanto riguarda le leggi di gravità.
Il modello deriva da un'azione . Utilizza una sola massa: la massa relativistica , a cui è assegnato un segno più o meno.
Ha le stesse basi del modello precedentemente pubblicato da Andreï Sakharov del 1967. Non propone nuove interazioni su questo argomento della violazione del numero barionico , considerando solo le interazioni del modello standard delle particelle e le simmetrie, nonché un possibile cambiamento di topologia dell'universo nell'era primordiale (formazione del secondo foglio).
A differenza di Sakharov in cui i due universi sono collegati solo dalla loro singolarità iniziale comune, il modello di Janus consente ai due fogli di universi di interagire direttamente in tutti i punti, solo per gravità .
La bigravità, atipica, è presentata dai suoi autori come un'estensione della relatività generale descrive l'universo come una varietà Riemanniana associata a due metriche coniugate che generano le proprie geodetiche .
Si suppone che coesistano quattro tipi di materia:
Il quarto tipo, la cosiddetta antimateria “Feynman” , è l'antimateria primordiale.
Interazioni gravitazionaliL'approssimazione newtoniana del sistema di due equazioni di campo accoppiate spiegherebbe le seguenti interazioni gravitazionali :
Queste leggi sono diverse dalle leggi enunciate da Hermann Bondi nel 1957 e da William Bonnor nel 1989. Risolvono il paradosso in fuga .
Il modello di Janus spiegherebbe la forma e la stabilità delle galassie a spirale grazie alla massa negativa in interazione con la galassia che la confina ed è repulsiva per quest'ultima.
Le strutture su larga scala dell'universo osservabile (strutture di filamenti separate da grandi vuoti apparenti, Great Repeller) sarebbero spiegate dalla repulsione gravitazionale tra masse positive e negative.
Il modello Janus è stato oggetto di numerose critiche scientifiche (positive o negative), le più significative delle quali sono:
Jean-Pierre Luminet durante la sua conferenza al CPPM ingennaio 2020menzionato nell'introduzione un'alternativa teorica al buco nero attraverso Giano. Tuttavia, nel suo ultimo libro "The Foam of Space-Time", deplora l'assenza di prove sperimentali e lo sviluppo della teoria, insufficiente per interessare la comunità specializzata.
L'accademico Thibault Damour pubblicato ingennaio 2019sul sito IHÉS una recensione dell'ultima versione (2015) del modello Janus. Vi presenta diversi argomenti che dimostrano seri problemi di coerenza delle equazioni di campo utilizzate. Così facendo, specifica una recensione di Janus pubblicata nel 2017 da Henry-Couannier sul rispetto di Janus per le identità di Bianchi . Focalizza l'analisi sul movimento di materia con massa positiva in assenza di materia di massa negativa. Dimostra che le equazioni accoppiate del modello di Janus implicano che la materia di massa positiva obbedisce a due equazioni del moto diverse e a priori incompatibili. Per illustrare questo punto, prende l'esempio di una stella statica e mostra nell'approssimazione newtoniana che una delle equazioni ha come soluzione una pressione che decresce dal centro verso la periferia, mentre l'altra equazione ha come soluzione una pressione che aumenta dal centro verso la periferia. Conclude scrivendo che “queste due equazioni contraddittorie sono necessarie conseguenze delle equazioni di campo che definiscono il 'modello di Giano'”.
Petit ha risposto a queste critiche poche settimane dopo in un video e in un articolo pubblicato sulla rivista Progress in Physics . Petit dimostra in questa nuova pubblicazione come il modello Janus può essere derivato da un'azione a condizione che le equazioni di campo accoppiate siano modificate. Presenta una nuova derivazione lagrangiana del modello di Giano dotato di queste nuove equazioni e del suo rispetto per le identità di Bianchi . La pubblicazione precisa che i risultati presentati negli articoli antecedenti la data di modifica del modello (2019) sono ancora validi perché la problematica riguardava solo il settore positivo all'interno di una stella, quest'ultimo punto essendo confermato proprio nella conclusione della pubblicazione di Damour .
La principale differenza tra il modello Janus e il modello ΛCDM è che, per costruzione, Janus spiega a posteriori diversi punti che rimangono aperti all'interpretazione nel modello ΛCDM (l'omogeneità dell'universo primordiale, la materia oscura , l' energia oscura ...). Il modello di Janus non ha ancora previsto alcun fatto nuovo che sarebbe stato convalidato dall'esperienza e i suoi autori non offrono un'osservazione accessibile a una scala temporale ragionevole che consenta un taglio netto tra Janus e i modelli concorrenti. Per il momento non ha fatto alcuna previsione corretta sul segnale associato alla radiazione gravitazionale prodotta dalla collisione di due buchi neri, sull'immagine del buco nero supermassiccio M87* o sulla forma dello spettro di potenza del fondo cosmico diffuso registrati da missioni Planck o WMAP , a differenza dei modelli concorrenti.
In una pubblicazione scientifica pubblicata sulla rivista Astrophysics and Space Science (en) ingiugno 2018, Petit e Gilles D'Agostini affermano diversi fenomeni che, secondo loro, sarebbero spiegabili da Janus, a differenza del modello ΛCDM. Questo articolo è comunque anteriore alle modifiche delle equazioni del modello a seguito delle critiche di Thibault Damour, i risultati che propongono sono quindi da riconsiderare con le nuove equazioni di campo accoppiato. Le osservazioni elencate dagli autori si riferiscono anche solo ad osservazioni precedenti al modello, nessun fenomeno previsto dal modello prima che la sua osservazione venga evidenziata.
Il modello ΛCDM ha avuto diversi successi predittivi:
Ad oggi non sono noti studi pubblicati che siano oggetto di tali calcoli con il modello Janus. Per quanto riguarda gli effetti delle lenti gravitazionali deboli , D'Agostini e Petit hanno spiegato nel 2014 l'interesse di tale studio e come condurlo nel caso di lenti negative.
È stato proposto nel 2006 da Frédéric Henry-Couannier che ha reintrodotto il principio delle teorie della gravità che utilizzavano una metrica di fondo di Minkowski con un tensore piatto e non dinamico, ma fallirono negli anni '70 a causa del mancato rispetto del principio di equivalenza . A differenza di queste teorie, usa questa metrica di base solo come collegamento di due metriche dinamiche permettendo di stabilire una simmetria dell'una rispetto all'altra, per analogia con i numeri positivi e negativi il cui zero è l'elemento neutro che funge da collegamento tra i due. Questa aggiunta è per lui obbligatoria se si vuole introdurre la gravità repulsiva, cioè le energie negative. Si tratta quindi di un approccio diverso rispetto a quello di Hossenfelder e Petit , anche se riprende le nozioni di massa negativa e gravità repulsiva, non usa due campi diversi ma solo uno che ha due facce. .
Il punto di partenza è un'azione .
.è lo scalare di Ricci , L la densità lagrangiana della materia (che permette di trovare il tensore energia-impulso ), dV un elemento di volume. I caratteri normali rappresentano la prima metrica, le tilde la seconda. Le due metriche g e sono legate da una relazione (che coinvolge la metrica Minkowski come spiegato nell'introduzione). Infatti una variazione di g risulta in una variazione di , producendo un'equazione (più precisamente un unico sistema di 10 equazioni, come nella Relatività Generale ). Quindi la metrica non è un nuovo campo in senso stretto, ma si presenta come un nuovo lato dello stesso campo. È quindi un campo con due pendii che chiama "campo di Giano".
Cerchiamo g e verifichiamo δS = 0 .
In relatività generale , l'azione non include il secondo integrale (con le tilde). Questo termine aggiuntivo modifica la dinamica del sistema e genera una nuova fenomenologia.
I due 'strati' ( varietà di dimensione 4) definiti da e sono in interazione.
F. Henry-Couannier continua a sviluppare su questa base la sua teoria sull'estensione bimetrica della relatività generale chiamata Dark Gravity .
Offerto in 2008di Sabine Hossenfelder , deriva da un'azione . Il principio di base è esattamente lo stesso del modello di Janus, ovvero un'estensione della relatività generale con due diverse metriche che utilizzano la geometria riemanniana e interagiscono solo gravitazionalmente.
Il modello definisce quindi per ogni metrica una connessione Levi-Cevita e un tensore di curvatura, i due tipi di campi che si muovono secondo una delle metriche e la sua connessione . Per ottenere le equazioni di campo per la seconda metrica si impone all'azione una simmetria di scambio. I campi aggiuntivi poi danno un contributo al tensore energia-impulso gravitazionale , con una densità di energia negativa .
La principale differenza con il modello Janus è che la simmetria richiede che le densità del materiale siano le stesse nei due settori. Non svilupperà ulteriormente il modello dopo questa pubblicazione.
Offerto in 2002di Thibault Damour e Ian I. Kogan, il principio si basa su un'interazione tra due brane che avviene tramite gravitoni con uno spettro di massa.
Il punto di partenza è un'azione generica per gravità massiccia da un'azione di bigravità quadridimensionale. La metrica corrispondente è fissa, vale a dire che diventa uno sfondo spaziale di Einstein non dinamico, o una metrica non dinamica, supponendo che sia piatta. Declinano questa azione secondo diversi modelli ( brane , Kaluza-Klein , geometria non commutativa) che portano a diverse classi di universalità per l'azione di bigravità completamente non lineare con classi di soluzioni compatibili con il "nostro universo".
Concludono: “I due problemi principali della gravità massiccia (campi fantasma e divergenza di alcune variabili di campo quando m2 → 0 ) devono ancora essere esaminati in dettaglio. (…) Il problema importante è trovare la corrispondenza con le sorgenti locali del campo in modo che la metrica completa sia priva di singolarità. Tuttavia, supponendo una risoluzione positiva di queste domande o semplicemente prendendo gli aspetti fenomenologici, le Lagrangiane di questa bigravità non lineare aprono una nuova strada interessante per gli effetti gravitazionali non standard. Esploreremo in future pubblicazioni le azioni fisiche non lineari della bigravità, con una visione particolare sugli aspetti cosmologici, che potrebbero fornire un candidato naturale per un nuovo tipo di energia oscura” . Non hanno più seguito il modello da questa pubblicazione.
""Nessuna evidenza sperimentale arriva a corroborare questo modello teorico noto come "Janus", oltre che detto modello non è considerato sufficientemente supportato da convincere la comunità specializzata ad interessarsene." "