Comment unifier la théorie de la gravité d’Einstein avec la mécanique quantique ? C’est un défi qui pourrait nous permettre de comprendre en profondeur des phénomènes tels que les trous noirs et la naissance de l’univers. Un nouvel article paru dans Nature Communications, rédigé par des chercheurs de l’université de technologie de Chalmers, en Suède, et du MIT, aux États-Unis, présente des résultats qui jettent un nouvel éclairage sur les défis importants que pose la compréhension de la gravité quantique.

L’un des grands défis de la physique théorique moderne consiste à trouver une « théorie unifiée » capable de décrire toutes les lois de la nature dans un cadre unique - en reliant la théorie générale de la relativité d’Einstein, qui décrit l’univers à grande échelle, et la mécanique quantique, qui décrit notre monde au niveau atomique. Une telle théorie de la « gravité quantique » comprendrait une description à la fois macroscopique et microscopique de la nature.

« Nous nous efforçons de comprendre les lois de la nature et le langage dans lequel celles-ci sont écrites est celui des mathématiques. Lorsque nous cherchons des réponses à des questions de physique, nous sommes souvent amenés à faire de nouvelles découvertes en mathématiques également. Cette interaction est particulièrement importante dans la recherche de la gravité quantique, où il est extrêmement difficile de réaliser des expériences », explique Daniel Persson, professeur au département des sciences mathématiques de l’université technologique de Chalmers.

Les trous noirs sont un exemple de phénomène qui nécessite ce type de description unifiée. Un trou noir se forme lorsqu’une étoile suffisamment lourde se dilate et s’effondre sous sa propre force gravitationnelle, de sorte que toute sa masse est concentrée dans un volume extrêmement petit. La description mécanique quantique des trous noirs n’en est encore qu’à ses débuts, mais elle fait appel à des mathématiques avancées spectaculaires.

Un modèle simplifié de gravité quantique

Le défi consiste à décrire comment la gravité apparaît comme un phénomène « émergent ». Tout comme les phénomènes quotidiens - tels que l’écoulement d’un liquide - émergent des mouvements chaotiques de gouttelettes individuelles, nous voulons décrire comment la gravité émerge d’un système mécanique quantique au niveau microscopique", explique Robert Berman, professeur au département des sciences mathématiques de l’université de technologie de Chalmers.

Dans un article récemment publié dans la revue Nature Communications, Daniel Persson et Robert Berman, ainsi que Tristan Collins du MIT aux États-Unis, ont montré comment la gravité émerge d’un système mécanique quantique spécial dans un modèle simplifié de gravité quantique appelé principe holographique.

« En utilisant des techniques issues des mathématiques sur lesquelles j’ai fait des recherches auparavant, nous avons réussi à formuler une explication de la manière dont la gravité émerge par le principe holographique, d’une manière plus précise que ce qui avait été fait auparavant », explique Robert Berman.

Les ondulations de l’énergie noire

Le nouvel article pourrait également offrir un nouvel éclairage sur la mystérieuse énergie noire. Dans la théorie générale de la relativité d’Einstein, la gravité est décrite comme un phénomène géométrique. Tout comme un lit fraîchement fait se courbe sous le poids d’une personne, les objets lourds peuvent déformer la forme géométrique de l’univers. Mais selon la théorie d’Einstein, même l’espace vide - « l’état de vide » de l’univers - possède une riche structure géométrique. Si vous pouviez zoomer et observer ce vide à un niveau microscopique, vous verriez des fluctuations ou des ondulations mécaniques quantiques, connues sous le nom d’énergie sombre. C’est cette mystérieuse forme d’énergie qui, dans une perspective plus large, est responsable de l’expansion accélérée de l’univers.

Ces nouveaux travaux pourraient permettre de mieux comprendre comment et pourquoi ces ondulations mécaniques quantiques microscopiques apparaissent, ainsi que la relation entre la théorie de la gravité d’Einstein et la mécanique quantique, ce qui échappe aux scientifiques depuis des décennies.

« Ces résultats ouvrent la possibilité de tester d’autres aspects du principe holographique, comme la description microscopique des trous noirs. Nous espérons également pouvoir utiliser ces nouvelles connexions à l’avenir pour ouvrir de nouvelles voies en mathématiques », déclare Daniel Persson.

« Emergent Sasaki-Einstein geometry and AdS/CFT » est publié dans Nature Communications.

Plus information : Robert J. Berman et al, Emergent Sasaki-Einstein geometry and AdS/CFT, Nature Communications (2022). DOI : 10.1038/s41467-021-27951-9

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