Dans la théorie quantique actuelle des champs, la causalité est généralement définie par la disparition des commutateurs de champ pour les séparations de type spatial. Deux chercheurs de l'Université du Massachusetts et de l'Universidade Federal Rural à Rio de Janeiro ont récemment mené une étude discutant et synthétisant certains des aspects clés de la causalité dans la théorie quantique des champs. Leur papier, publié dans Physical Review Letters, est le résultat de leur enquête sur une théorie de la gravité quantique communément appelée « gravité quadratique ».

"Comme les ingrédients du modèle standard, la gravité quadratique est une théorie quantique des champs renormalisable, mais il a des propriétés particulières, " John Donoghue, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "La petite violation de la causalité est la plus importante d'entre elles et notre objectif était de mieux comprendre cela. Dans le processus, nous avons réalisé que certaines des idées sont d'un intérêt plus général et nous avons décidé d'écrire notre compréhension sous la forme d'une lettre d'examen physique, de partager ces idées plus largement. »

L'article rédigé par Donoghue et son collègue Gabriel Menezes synthétise de nombreux aspects différents de la causalité qui font partie de la théorie quantique des champs depuis plusieurs décennies maintenant. La prise de conscience qu'il peut y avoir des violations microscopiques de la causalité dans certaines théories remonte aux années 1960, spécifiquement aux travaux des physiciens T.D. Lee et G.C. Mèche. Dans leur étude, cependant, Donoghue et Menezes se sont également inspirés d'une étude plus récente menée par Donal O'Connell, Benjamin Grinstein et Mark B. Wise.

Jusque là, les discussions les plus théoriques sur la causalité, spécifiquement la "flèche du temps, " ont affirmé que les lois de la physique n'ont aucune préférence pour l'écoulement du temps. Cependant, cette hypothèse particulière n'est pas applicable à la physique quantique, où une direction pour les effets causaux est présente.

« Les différents facteurs de je dans les procédures de quantification sont liées à la direction de l'action causale, qui mène à la « flèche de causalité » en physique quantique, " Donoghue a expliqué. " Cette connexion n'est pas discutée très souvent. "

Donoghue et Menezes ont été intrigués par le fait que le sentiment macroscopique de causalité, qui est également applicable à la physique classique, est due à la structure sous-jacente de la théorie quantique. Dans leur récent article, ils ont donc approfondi cet aspect particulier de la causalité, afin de mieux comprendre sa signification et ses implications.

"L'idée qu'il puisse y avoir des doubles flèches de causalité au sein d'une même théorie est encore plus obscure, " a déclaré Donoghue. " Cependant, cela se produit dans un cadre très simple où le lagrangien pour la théorie a plus de puissances de dérivées que d'habitude. C'est ce qui se passe en gravité quadratique, mais cela pourrait aussi arriver dans d'autres théories."

Même si le sens de l'influence causale est une convention associée au choix d'une description de la mesure du temps, son existence est une condition nécessaire basée sur les lois de la physique quantique. Dans ce contexte, Donoghue et Menezes ont observé que la flèche de causalité peut être potentiellement violée en ayant des conventions contradictoires.

"L'implication la plus importante de notre étude est peut-être que nous avons collecté des preuves d'incertitude causale due aux fluctuations de l'espace-temps qui peuvent survenir dans une théorie quantique de la gravité, " a déclaré Menezes. " Cela nous fournirait une compréhension intuitive profonde des origines de la causalité. "

Il y a une dizaine d'années, O'Connell, Grinstein et Wise ont mené une étude partiellement basée sur une série de conférences de Sidney Coleman. Ils ont spécifiquement suggéré que dans une description de paquet d'ondes d'un processus de diffusion avec des flèches causales mixtes, on peut vérifier que les produits de désintégration peuvent être détectés plus tôt que prévu à partir du moment de la production et que la probabilité de détection associée diminue de façon exponentielle vers l'arrière dans le temps. Dans leur étude, Donoghue et Menezes ont approfondi cette idée.

« Une implication de notre étude est que, bien que les idées avancées par O'Connell et ses collègues, ainsi que d'autres équipes de recherche, pourrait en principe être observée, il n'y a pas de contradiction avec les expériences dans le cas de la gravité car le phénomène se produit à des énergies de l'ordre de l'échelle de Planck, qui est de 15 ordres de grandeur supérieure à la gamme d'énergie accessible au LHC, ", a déclaré Menezes.

L'étude récente de Donoghue et Menezes propose une discussion générale et précieuse de la causalité et de la flèche de causalité, en se concentrant spécifiquement sur la façon dont une théorie donnée peut avoir à la fois des flèches vers l'avant et vers l'arrière. Cette discussion aborde le sujet de l'inversion du temps dans la théorie des champs, il pourrait donc éclairer une variété d'études de physique. Cela pourrait également aider à clarifier la théorie quantique de la gravité quadratique, qui a encore beaucoup de questions sans réponse.

Globalement, Donoghue et Menezes suggèrent que des conventions mixtes dans les théories physiques individuelles pourraient en fait être possibles et que les études futures devraient explorer davantage ce sujet. Les chercheurs travaillent maintenant sur un projet visant à explorer pleinement le phénomène d'incertitude de causalité dû aux fluctuations quantiques du champ gravitationnel.

"Il y a d'autres considérations techniques que nous devons aborder concernant cette description de la gravité quantique en tant que théorie des champs quantiques renormalisable, " a déclaré Menezes. " L'un d'eux concerne la stabilité de la gravité quadratique dans les fonds courbes, qui a déjà été étudiée par d'autres auteurs. Espérons que ceux-ci feront également partie de ce futur travail. Dans tous les cas, l'enquête la plus intrigante que nous espérons mener sera l'étude de l'effet de l'incertitude causale dans l'Univers primitif."

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