Le bureau d'Albert Einstein se trouve toujours au deuxième étage du département de physique de Princeton. Posé devant un tableau noir du sol au plafond recouvert d'équations, le bureau semble incarner l'esprit du génie aux cheveux crépus lorsqu'il demande aux occupants actuels du département, "Donc, l'as-tu déjà résolu ?"

Einstein n'a jamais atteint son objectif d'une théorie unifiée pour expliquer le monde naturel en un seul, cadre cohérent. Au cours du siècle dernier, les chercheurs ont reconstitué des liens entre trois des quatre forces physiques connues dans un « modèle standard, " mais la quatrième force, la gravité, a toujours été seul.

Plus maintenant. Grâce aux idées faites par les membres du corps professoral de Princeton et d'autres personnes formées ici, la gravité est apportée par le froid, bien que d'une manière qui n'est pas très proche de la façon dont Einstein l'avait imaginée.

Bien qu'il ne s'agisse pas encore d'une "théorie de tout, " ce cadre, établi il y a plus de 20 ans et toujours en cours de remplissage, révèle des manières surprenantes dans lesquelles la théorie de la gravité d'Einstein se rapporte à d'autres domaines de la physique, donner aux chercheurs de nouveaux outils pour aborder des questions insaisissables.

L'idée clé est que la gravité, la force qui ramène les balles de baseball sur Terre et régit la croissance des trous noirs, est mathématiquement liée aux singeries particulières des particules subatomiques qui composent toute la matière qui nous entoure.

Cette révélation permet aux scientifiques d'utiliser une branche de la physique pour comprendre d'autres domaines de la physique apparemment sans rapport. Jusque là, ce concept a été appliqué à des sujets allant de la raison pour laquelle les trous noirs chauffent à la façon dont les battements d'ailes d'un papillon peuvent provoquer une tempête à l'autre bout du monde.

Cette relation entre la gravité et les particules subatomiques fournit une sorte de pierre de Rosette pour la physique. Poser une question sur la gravité, et vous obtiendrez une explication en termes de particules subatomiques. Et vice versa.

« Cela s’est avéré être une région incroyablement riche, " a déclaré Igor Klebanov, Professeur de physique Eugene Higgins de Princeton, qui a généré certaines des premières idées dans ce domaine dans les années 1990. "Il se situe à l'intersection de nombreux domaines de la physique."

À partir de petits bouts de ficelle

Les graines de cette correspondance ont été semées dans les années 1970, lorsque les chercheurs exploraient de minuscules particules subatomiques appelées quarks. Ces entités nichent comme des poupées russes à l'intérieur de protons, qui à leur tour occupent les atomes qui composent toute la matière. À l'époque, les physiciens trouvaient étrange que peu importe la force avec laquelle vous écrasez deux protons ensemble, vous ne pouvez pas libérer les quarks, ils restent confinés à l'intérieur des protons.

Une personne travaillant sur le confinement des quarks était Alexander Polyakov, Joseph Henry professeur de physique de Princeton. Il s'avère que les quarks sont "collés ensemble" par d'autres particules, appelés gluons. Pour un moment, les chercheurs pensaient que les gluons pouvaient s'assembler en chaînes liant les quarks les uns aux autres. Polyakov a entrevu un lien entre la théorie des particules et la théorie des cordes, mais le travail était, selon les mots de Polyakov, "hand-wavy" et il n'avait pas d'exemples précis.

Pendant ce temps, l'idée que les particules fondamentales sont en fait de minuscules morceaux de corde vibrante était en train de décoller, et au milieu des années 80, La "théorie des cordes" avait fasciné l'imagination de nombreux physiciens de premier plan. L'idée est simple :tout comme la vibration d'une corde de violon donne naissance à différentes notes, la vibration de chaque corde prédit la masse et le comportement d'une particule. La beauté mathématique était irrésistible et a conduit à une vague d'enthousiasme pour la théorie des cordes comme moyen d'expliquer non seulement les particules mais l'univers lui-même.

L'un des collègues de Polyakov était Klebanov, qui en 1996 était professeur agrégé à Princeton, ayant obtenu son doctorat. à Princeton une décennie plus tôt. Cette année, Klebanov, avec l'étudiant diplômé Steven Gubser et l'associée de recherche postdoctorale Amanda Peet, utilisé la théorie des cordes pour faire des calculs sur les gluons, puis ont comparé leurs découvertes à une approche de la théorie des cordes pour comprendre un trou noir. Ils ont été surpris de constater que les deux approches ont donné une réponse très similaire. Un an plus tard, Klebanov a étudié les taux d'absorption par les trous noirs et a constaté que cette fois ils concordaient exactement.

Ce travail s'est limité à l'exemple des gluons et des trous noirs. Il a fallu un aperçu de Juan Maldacena en 1997 pour tirer les morceaux dans une relation plus générale. À ce moment-là, Maldacena, qui avait obtenu son doctorat. à Princeton un an plus tôt, était professeur assistant à Harvard. Il a détecté une correspondance entre une forme particulière de gravité et la théorie qui décrit les particules. Voyant l'importance de la conjecture de Maldacena, une équipe de Princeton composée de Gubser, Klebanov et Polyakov ont suivi avec un article connexe formulant l'idée en termes plus précis.

Un autre physicien qui a été immédiatement séduit par l'idée était Edward Witten de l'Institute for Advanced Study (IAS), un centre de recherche indépendant situé à environ un mile du campus universitaire. Il a écrit un article qui a formulé davantage l'idée, et la combinaison des trois journaux à la fin de 1997 et au début de 1998 a ouvert les vannes.

"C'était un type de connexion fondamentalement nouveau, " dit Witten, un leader dans le domaine de la théorie des cordes qui avait obtenu son doctorat. à Princeton en 1976 et est conférencier invité avec le rang de professeur de physique à Princeton. « Vingt ans plus tard, nous ne l'avons pas complètement maîtrisé."

Les deux faces d'une même médaille

Cette relation signifie que les interactions entre la gravité et les particules subatomiques sont comme les deux faces d'une même pièce. D'un côté se trouve une version étendue de la gravité dérivée de la théorie de la relativité générale d'Einstein de 1915. De l'autre côté se trouve la théorie qui décrit grossièrement le comportement des particules subatomiques et leurs interactions.

Cette dernière théorie inclut le catalogue des particules et des forces dans le "modèle standard" (voir encadré), un cadre pour expliquer la matière et ses interactions qui a survécu à des tests rigoureux dans de nombreuses expériences, y compris au Grand collisionneur de hadrons.

Dans le modèle standard, les comportements quantiques sont ancrés. Notre monde, quand on descend au niveau des particules, est un monde quantique.

La gravité est notamment absente du modèle standard. Pourtant, le comportement quantique est à la base des trois autres forces, alors pourquoi la gravité devrait-elle être immunisée ?

Le nouveau cadre apporte de la gravité dans la discussion. Ce n'est pas exactement la gravité que nous connaissons, mais une version légèrement déformée qui inclut une dimension supplémentaire. L'univers que nous connaissons a quatre dimensions, les trois qui repèrent un objet dans l'espace :la hauteur, largeur et profondeur du bureau d'Einstein, par exemple, plus la quatrième dimension du temps. La description gravitationnelle ajoute une cinquième dimension qui fait que l'espace-temps se courbe en un univers qui comprend des copies de l'espace plat quadridimensionnel familier redimensionné en fonction de l'endroit où ils se trouvent dans la cinquième dimension. Cet étrange, l'espace-temps courbe est appelé espace anti-de Sitter (AdS) d'après le collaborateur d'Einstein, néerlandais
l'astronome Willem de Sitter.

La percée à la fin des années 1990 a été que les calculs mathématiques de l'arête, ou frontière, de cet espace anti-de Sitter peut être appliqué à des problèmes impliquant des comportements quantiques de particules subatomiques décrits par une relation mathématique appelée théorie des champs conformes (CFT). Cette relation fournit le lien, que Polyakov avait entrevu plus tôt, entre la théorie des particules en quatre dimensions d'espace-temps et la théorie des cordes en cinq dimensions. La relation porte maintenant plusieurs noms qui relient la gravité aux particules, mais la plupart des chercheurs l'appellent la correspondance AdS/CFT (prononcé A-D-S-C-F-T).

S'attaquer aux grandes questions

Cette correspondance, il s'avère, a de nombreuses utilisations pratiques. Prends les trous noirs, par exemple. Le regretté physicien Stephen Hawking a surpris la communauté des physiciens en découvrant que les trous noirs ont une température qui survient parce que chaque particule qui tombe dans un trou noir a une particule intriquée qui peut s'échapper sous forme de chaleur.

En utilisant AdS/CFT, Tadashi Takayanagi et Shinsei Ryu, puis à l'Université de Californie-Santa Barbara, découvert une nouvelle façon d'étudier

intrication en termes de géométrie, étendre les idées de Hawking d'une manière que les experts considèrent tout à fait remarquable.

Dans un autre exemple, les chercheurs utilisent AdS/CFT pour cerner la théorie du chaos, qui dit qu'un événement aléatoire et insignifiant tel que le battement d'ailes d'un papillon pourrait entraîner des changements massifs dans un système à grande échelle tel qu'un ouragan lointain. Il est difficile de calculer le chaos, mais les trous noirs, qui sont parmi les systèmes quantiques les plus chaotiques possibles, pourraient aider. Travail de Stephen Shenker et Douglas Stanford à l'Université de Stanford, avec Maldacena, montre comment, via AdS/CFT, les trous noirs peuvent modéliser le chaos quantique.

Une question ouverte que Maldacena espère que la correspondance AdS/CFT répondra est la question de savoir à quoi cela ressemble à l'intérieur d'un trou noir, où réside une région infiniment dense appelée singularité. Jusque là, la relation nous donne une image du trou noir vu de l'extérieur, dit Maldacena, qui est maintenant le professeur Carl P. Feinberg à l'IAS.

"Nous espérons comprendre la singularité à l'intérieur du trou noir, " a déclaré Maldacena. " Comprendre cela conduirait probablement à des leçons intéressantes pour le Big Bang. "

La relation entre la gravité et les cordes a également jeté un nouvel éclairage sur le confinement des quarks, d'abord grâce aux travaux de Polyakov et Witten, et plus tard par Klebanov et Matt Strassler, qui était alors à l'IAS.

Ce ne sont là que quelques exemples de la façon dont la relation peut être utilisée. "C'est une idée très réussie, " dit Gubser, qui est aujourd'hui professeur de physique à Princeton. "Cela attire l'attention. Cela vous attache, il cordes dans d'autres domaines, et cela vous donne un point de vue sur la physique théorique qui est très convaincant. »

La relation peut même révéler la nature quantique de la gravité. "C'est l'un de nos meilleurs indices pour comprendre la gravité d'un point de vue quantique, " dit Witten. " Puisque nous ne savons pas ce qui manque encore, Je ne peux pas vous dire à quel point ce sera finalement une grande partie de l'image."

Toujours, la correspondance AdS/CFT, tout en étant puissant, repose sur une version simplifiée de l'espace-temps qui n'est pas exactement comme l'univers réel. Les chercheurs travaillent à trouver des moyens de rendre la théorie plus largement applicable au monde de tous les jours, y compris les recherches de Gubser sur la modélisation des collisions d'ions lourds, ainsi que des supraconducteurs à haute température.

Également sur la liste des choses à faire, développe une preuve de cette correspondance qui s'appuie sur des principes physiques sous-jacents. Il est peu probable qu'Einstein soit satisfait sans preuve, dit Herman Verlinde, Professeur de physique de la classe de Princeton en 1909, le président du département de physique et un expert en théorie des cordes, qui partage un bureau avec le bureau d'Einstein.

"Parfois, j'imagine qu'il est toujours assis là, " dit Verlinde, "et je me demande ce qu'il penserait de nos progrès."