Les symétries révèlent des indices sur l’univers holographique

Nous avons connu gravité depuis la rencontre apocryphe de Newton avec la pomme, mais nous avons encore du mal à lui donner un sens. Alors que les trois autres forces de la nature sont toutes dues à l’activité des champs quantiques, notre meilleure théorie de la gravité la décrit comme un espace-temps courbé. Pendant des décennies, les physiciens ont essayé d’utiliser les théories quantiques des champs pour décrire la gravité, mais ces efforts sont au mieux incomplets.

L’un des plus prometteurs de ces efforts traite la gravité comme quelque chose comme un hologramme – un effet tridimensionnel qui surgit d’une surface plane et bidimensionnelle. Actuellement, le seul exemple concret d’une telle théorie est la correspondance AdS/CFT, dans laquelle un type particulier de théorie quantique des champs, appelée théorie conforme des champs (CFT), donne naissance à la gravité dans ce que l’on appelle l’anti-de Sitter (AdS ) espace. Dans les courbes bizarres de l’espace AdS, une frontière finie peut encapsuler un monde infini. Juan Maldacena, le découvreur de la théorie, l’a qualifiée d'”univers en bouteille”.

Mais notre univers n’est pas une bouteille. Notre univers est (en grande partie) plat. Toute bouteille qui contiendrait notre univers plat devrait être infiniment loin dans l’espace et dans le temps. Les physiciens appellent cette capsule cosmique la « sphère céleste ».

Les physiciens veulent déterminer les règles d’un CFT qui peut donner naissance à la gravité dans un monde sans les courbes de l’espace AdS. Ils recherchent un CFT pour l’espace plat – un CFT céleste.

La CFT céleste serait encore plus ambitieuse que la théorie correspondante dans AdS/CFT. Puisqu’il vit sur une sphère de rayon infini, les concepts d’espace et de temps s’effondrent. En conséquence, le CFT ne dépendrait pas de l’espace et du temps ; au lieu de cela, cela pourrait expliquer comment l’espace et le temps sont créés.

Les résultats de recherches récentes ont donné aux physiciens l’espoir qu’ils sont sur la bonne voie. Ces résultats utilisent des symétries fondamentales pour contraindre à quoi pourrait ressembler ce CFT. Les chercheurs ont découvert un ensemble surprenant de relations mathématiques entre ces symétries – des relations qui sont apparues auparavant dans certaines théories des cordes, ce qui amène certains à se demander si la connexion est plus qu’une coïncidence.

“Il y a un animal très grand et étonnant ici”, a déclaré Nima Arkani-Hamed, physicienne théoricienne à l’Institute for Advanced Study de Princeton, New Jersey. “La chose que nous allons trouver va être assez époustouflante, espérons-le.”

Symétries sur la sphère

Peut-être que la principale façon dont les physiciens sondent les forces fondamentales de la nature est de faire exploser des particules ensemble pour voir ce qui se passe. Le terme technique pour cela est « diffusion ». Dans des installations telles que le Large Hadron Collider, les particules arrivent de points éloignés, interagissent, puis s’envolent vers les détecteurs dans n’importe quel état transformé dicté par les forces quantiques.

Si l’interaction est régie par l’une des trois forces autres que la gravité, les physiciens peuvent en principe calculer les résultats de ces problèmes de diffusion en utilisant la théorie quantique des champs. Mais ce que de nombreux physiciens veulent vraiment apprendre, c’est la gravité.

Heureusement, Steven Weinberg a montré dans les années 1960 que certains problèmes de diffusion gravitationnelle quantique – ceux qui impliquent des gravitons de basse énergie – peuvent être calculés. Dans cette limite de basse énergie, “nous avons cloué le comportement”, a déclaré Monica Pate de l’Université de Harvard. “La gravité quantique reproduit les prédictions de la relativité générale.” Des holographes célestes comme Pate et Sabrina Pasterski de l’Université de Princeton utilisent ces problèmes de diffusion à basse énergie comme point de départ pour déterminer certaines des règles auxquelles l’hypothétique CFT céleste doit obéir.

Ils le font en recherchant des symétries. Dans un problème de diffusion, les physiciens calculent les produits de la diffusion – les “amplitudes de diffusion” – et à quoi ils devraient ressembler lorsqu’ils frappent les détecteurs. Après avoir calculé ces amplitudes, les chercheurs recherchent des motifs que les particules forment sur le détecteur, qui correspondent à des règles ou à des symétries auxquelles le processus de diffusion doit obéir. Les symétries exigent que si vous appliquez certaines transformations au détecteur, le résultat d’un événement de diffusion reste inchangé.

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