Un diagramme illustrant un twistor -- une entité étendue dans l'espace et le temps qui peut être considérée comme un rayon lumineux bidimensionnel. Crédit :Penrose, R., &Rindler, W. (1986). Spineurs et espace-temps (Monographies de Cambridge sur la physique mathématique). Cambridge :Cambridge University Press.
Le physicien théoricien d'aujourd'hui fait face à une montée éprouvante. "Au fur et à mesure que nous en apprenons plus, la réalité devient de plus en plus subtile; l'absolu devient relatif, le fixe devient dynamique, le défini est chargé d'incertitude, " écrit le physicien Yasha Neiman.
Professeur et chef de l'unité Quantum Gravity à l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), il est aux prises avec cette énigme au quotidien. Gravité quantique, la branche de la physique de Neiman, vise à unifier la mécanique quantique, qui décrit la nature à l'échelle des atomes et des particules subatomiques, avec la théorie de la relativité générale d'Einstein, la théorie moderne de la gravitation en tant que courbure de l'espace et du temps. Comment, il demande, les physiciens peuvent-ils écrire des équations lorsque la géométrie de l'espace elle-même devient sujette à l'incertitude quantique ? Gravité quantique, la frontière actuelle de la théorie fondamentale, s'est avéré plus difficile à démêler que les concepts précédents, selon Neiman.
"Avec la notion d'espace qui glisse entre nos doigts, nous cherchons des points d'ancrage alternatifs sur lesquels fonder notre description du monde, " il écrit.
Cette recherche de points d'ancrage alternatifs est, en substance, une recherche d'un nouveau langage pour décrire la réalité - et c'est le sujet de son travail le plus récent, publié dans le Journal de physique des hautes énergies . Dans le journal, Neiman propose un nouveau point de vue sur la géométrie de l'espace et du temps, qui s'appuie sur des approches bien établies en physique, comme l'holographie et la théorie des twisteurs, pour atteindre un nouveau terrain.
L'holographie est une émanation de la théorie des cordes, la théorie selon laquelle l'univers est composé d'objets unidimensionnels appelés cordes, qui a été développé à la fin des années 90. L'holographie imagine les extrémités de l'univers comme la surface d'une sphère infiniment grande qui forme la frontière de l'espace. Même si la géométrie fluctue dans cette sphère, cette "limite à l'infini" à la surface de la sphère peut rester fixe.
Yasha Neiman est quotidiennement aux prises avec des énigmes complexes en gravité quantique. Crédit :OIST
Depuis 20 ans, l'holographie a été un outil inestimable pour mener des expériences de pensée en gravité quantique. Cependant, les observations astronomiques ont montré que cette approche ne peut pas vraiment s'appliquer à notre monde. "L'expansion accélérée de notre univers et la vitesse finie de la lumière concourent à limiter toutes les observations possibles, présent ou futur, à une région finie, quoique très grande, de l'espace, " écrit Neiman.
Dans un tel monde, la frontière à l'infini, où est basée l'image holographique de l'univers, n'a plus de sens physique. Un nouveau cadre de référence peut être nécessaire, un qui n'essaie pas de trouver une surface fixe dans l'espace, mais qui laisse complètement de l'espace.
Dans les années 1960, pour tenter de comprendre la gravité quantique, le physicien Roger Penrose a proposé une alternative aussi radicale. Dans la théorie des twisteurs de Penrose, les points géométriques sont remplacés par des twisteurs, des entités qui ressemblent le plus à des étirements, formes semblables à des rayons lumineux. Dans cet espace twisteur, Penrose a découvert un moyen très efficace de représenter des champs qui se déplacent à la vitesse de la lumière, tels que les champs électromagnétiques et gravitationnels. Réalité, cependant, est composé de plus que des champs - toute théorie doit également prendre en compte les interactions entre les champs, comme la force électrique entre les charges, ou, dans le cas plus compliqué de la Relativité Générale, attraction gravitationnelle résultant de l'énergie du champ lui-même. Cependant, inclure les interactions de la relativité générale dans cette image s'est avéré une tâche formidable.
Alors pouvons-nous exprimer en langage twistor une théorie gravitationnelle quantique à part entière, peut-être plus simple que la Relativité Générale, mais avec une prise en compte à la fois des champs et des interactions ? Oui, selon Neiman.
Le modèle de Neiman s'appuie sur une gravité de spin plus élevée, un modèle développé par Mikhail Vasiliev dans les années 80 et 90. Une gravité de spin plus élevée peut être considérée comme le "plus petit cousin" de la théorie des cordes, "trop simple pour reproduire la Relativité Générale, mais très instructif comme terrain de jeu pour les idées, " comme le dit Neiman. En particulier, il est parfaitement adapté pour explorer les ponts possibles entre l'holographie et la théorie des twisteurs.
D'une part, découvert par Igor Klebanov et Alexander Polyakov en 2001, gravité de rotation plus élevée, tout comme la théorie des cordes, peut être décrit holographiquement. Son comportement dans l'espace peut être complètement capturé en termes de frontière à l'infini. D'autre part, ses équations contiennent des variables de type twistor, même si ceux-ci sont encore liés à des points particuliers de l'espace ordinaire.
A partir de ces points de départ, L'article de Neiman franchit une étape supplémentaire, construire un dictionnaire mathématique qui relie les langages de l'holographie et de la théorie des twisteurs.
« Les mathématiques sous-jacentes qui font avancer cette histoire concernent toutes les racines carrées, " écrit Neiman. " Il s'agit d'identifier les manières subtiles dont une opération géométrique, comme une rotation ou une réflexion, peut être fait "à mi-chemin". Une racine carrée intelligente, c'est comme trouver une fissure dans un mur solide, l'ouvrir en deux, et révélant un nouveau monde."
L'utilisation des racines carrées de cette manière a une longue histoire en mathématiques et en physique. En réalité, la forme intrinsèque de toutes les particules de matière, telles que les électrons et les quarks, ainsi que les twisteurs, est décrit par une racine carrée des directions ordinaires de l'espace. Dans un sens technique subtil, La méthode de Neiman pour connecter l'espace, sa frontière à l'infini, et espace de torsion, revient à reprendre une telle racine carrée.
Neiman espère que sa preuve de concept pourra ouvrir la voie à une théorie quantique de la gravité qui ne repose pas sur une frontière à l'infini.
"Il faudra beaucoup de créativité pour découvrir le code du monde, " dit Neiman. " Et il y a de la joie à tâtonner pour ça. "
