La figure montre l'essence de l'argument des chercheurs contre les symétries mondiales. Ils supposent qu'il existe une symétrie globale et aussi que l'objet au centre du diagramme est chargé sous la symétrie, puis montrer que cela nécessiterait que l'objet soit dans les régions grises ombrées, ce qui n'est pas le cas ; c'est la preuve par contradiction ! Crédit :Harlow &Ooguri.
Une paire de chercheurs, un au Massachusetts Institute of Technology (MIT) et un autre au California Institute of Technology (Caltech) et à l'Université de Tokyo, ont récemment étudié un ensemble de vieilles conjectures sur les symétries en gravité quantique. Les conjectures spécifiques de foyer :(1) La gravité quantique ne tient pas compte des symétries globales; (2) Pour la symétrie de jauge, toutes les charges possibles doivent être réalisées ; (3) Les groupes de jauges internes doivent être compacts. Leur papier, Publié dans Lettres d'examen physique , montre que ces anciennes hypothèses tiennent dans la correspondance anti-de Sitter/théorie des champs conforme (AdS-CFT).
« Historiquement, le concept de symétrie a joué un rôle important en physique, à la fois dans l'identification et la formulation des lois fondamentales de la nature, et en utilisant ces lois pour comprendre et prédire les phénomènes naturels tels que la dynamique et les phases des matières, " Hirosi Ooguri, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "Toutefois, il y a eu des preuves théoriques pour suggérer que, une fois que nous combinons gravité et mécanique quantique (les deux idées fondamentales de la physique moderne), toutes les symétries mondiales ont disparu."
En physique, les symétries peuvent être de deux sortes :de jauge et globales. Depuis plusieurs décennies, des chercheurs ont proposé l'idée que les symétries globales ne devraient pas être possibles en gravité quantique, car la théorie unifiée de la gravité et de la mécanique quantique ne permettrait aucune symétrie. Il s'agit d'une revendication profonde avec des conséquences importantes. Par exemple, il prédit qu'un proton ne serait pas stable contre la désintégration en d'autres particules.
"Le modèle standard de la physique des particules a les deux types de symétries, donc nous prédisons que les globales ne doivent être qu'approximatives, " Daniel Harlow, l'autre chercheur impliqué dans l'étude, dit Phys.org. "Jusque là, cette idée a eu un certain soutien circonstanciel, mais il n'y avait aucun argument convaincant. Dans notre papier, nous avons donné ce que nous pensons être un argument assez convaincant dans le cas particulier de la correspondance AdS/CFT. Cette correspondance donne nos théories les mieux comprises de la gravité quantique, et nous avons pu montrer qu'il ne permet pas les symétries globales."
Avant l'article d'Ooguri et Harlow, d'autres chercheurs ont avancé des arguments soutenant l'affirmation selon laquelle la gravité quantique (l'unification de la mécanique quantique et de la gravité) ne peut avoir aucune symétrie. Néanmoins, ces arguments présentaient souvent des lacunes ou des failles logiques, par exemple, ne pas traiter certains cas importants (par exemple, la symétrie discrète).
"Notre nouvel article apporte une preuve rigoureuse de cette affirmation dans le cadre de la correspondance AdS/CFT, où la gravité quantique est définie d'une manière mathématiquement précise, et nous l'avons fait de la manière la plus générale, excluant toutes les symétries globales possibles de la gravité quantique, " dit Ooguri.
La preuve présentée par Ooguri et Harlow est basée sur deux idées importantes :le principe holographique de la gravité quantique et les codes correcteurs d'erreurs quantiques. Le principe holographique a été introduit pour la première fois par Gerard 't Hooft et Leonard Susskind au début des années 90, pourtant, il a depuis été largement développé. L'un de ses développements les plus cruciaux a été la découverte de la correspondance AdS/CFT par Juan Maldacena en 1997.
Ooguri et Harlow souhaitaient prouver un théorème mathématique sur la gravité quantique, ils exigeaient donc une définition précise du principe holographique. Ils ont décidé d'adopter la correspondance AdS/CFT, car c'était la seule façon dont ils pensaient pouvoir atteindre leur objectif.
"Nos outils de base sont la correction d'erreur quantique, la correspondance AdS/CFT, et la théorie quantique des champs, " a déclaré Harlow. " Le point le plus important à transmettre ici est que, bien que AdS/CFT soit une belle théorie de la gravité quantique, ce n'est pas la théorie de la gravité quantique dans notre monde. C'est un modèle de jouet du type que les physiciens aiment étudier (comme la fameuse vache sphérique). Nous croyons, cependant, que les leçons que nous apprenons dans ce modèle de jouet devraient se répercuter dans notre monde à condition que nous soyons prudents."
Il y a quelques années, un groupe de recherche différent qui comprenait également Harlow a montré que l'holographie fonctionne en gravité quantique de la même manière que la correction d'erreur quantique fonctionne en informatique quantique. Dans la correspondance AdS/CFT, La géométrie de l'espace-temps dans l'espace anti-de Sitter émerge de l'intrication quantique dans la théorie des champs conforme. Harlow et ses collègues ont montré que les données géométriques émergentes sont, En réalité, codes correcteurs d'erreurs quantiques, d'un point de vue CFT.
La perspicacité de cette recherche précédente était essentielle pour prouver le théorème dans l'étude récente des chercheurs. Dans leur nouvelle étude, Ooguri et Harlow ont découvert que le fonctionnement de la correction d'erreur quantique n'est compatible avec aucune symétrie. Ainsi, une fois la mécanique quantique et la gravité fusionnées, aucune symétrie n'est exacte.
« On a généralement cru que la symétrie est un concept fondamental dans la nature, " dit Ooguri. " Beaucoup de physiciens croient qu'il doit y avoir un bel ensemble de lois dans la nature, et qu'une façon de quantifier la beauté est la symétrie. Une partie de la symétrie peut être cachée dans notre monde (ou « spontanément brisée, " en termes de physique), mais ils peuvent se manifester si nous regardons la nature à un niveau plus fondamental. Nous avons montré que la croyance exprimée dans ce qui précède est fausse. Les lois de la nature au niveau le plus fondamental, où la mécanique quantique et la gravité sont unifiées, n'ont pas de symétrie globale."
L'étude menée par Ooguri et Harlow apporte un éclairage clé dans le domaine de la physique, excluant la possibilité de symétries globales dans une large classe de théories de la gravité quantique. Leurs résultats ont des implications pour de nombreux domaines d'étude, par exemple prédire l'instabilité des protons.
"Nos résultats prédisent que le proton ne devrait pas être stable, " dit Harlow. " Ce n'est pas évident, mais il prédit aussi l'existence de monopôles magnétiques :des objets isolés porteurs de charges magnétiques. Jusque là, nous n'avons jamais vu un tel objet, mais les gens les recherchent toujours. Malheureusement, nos résultats ne sont pas assez solides pour dire combien de monopôles devraient exister, où ils devraient être, ou combien de temps nous devons attendre pour voir une désintégration du proton."
Dans leurs futurs travaux, Harlow et Ooguri aimeraient quantifier comment la symétrie est brisée. Jusque là, ils ont simplement prouvé que la gravité quantique ne peut avoir aucune symétrie sans préciser comment elle est démontée. Par exemple, leurs découvertes suggèrent que le proton devrait se désintégrer, pourtant, ils ne précisent pas comment il se désintègre ou combien de temps il peut vivre avant de le faire. Ce sont des questions très importantes, que les chercheurs espèrent aborder dans leurs futures recherches.
"L'Institut Kavli pour la physique et les mathématiques de l'univers à l'Université de Tokyo, dont je suis le directeur, est impliqué dans le projet Hyper-Kamiokande qui sera construit dans la mine de zinc de Kamioka dans la zone montagneuse centrale du Japon, " a ajouté Ooguri. " L'un des objectifs du projet est de voir si le proton se désintègre et pour ce faire, les expérimentateurs construiront un grand réservoir d'eau dans la mine. D'après notre théorème, les protons devraient se désintégrer. Mais, nous ne pouvons pas dire aux expérimentateurs quelle doit être la taille des réservoirs d'eau pour qu'ils puissent voir les protons se désintégrer dans un délai raisonnable. C'est un exemple de la raison pour laquelle la quantification de la rupture de la symétrie serait cruciale. Daniel et moi avons une idée sur la façon de quantifier la façon dont la symétrie est brisée et nous poursuivons maintenant notre enquête dans cette direction."
© 2019 Réseau Science X
