Lorsqu'ils étudient un système complexe, les scientifiques identifient des éléments plus petits appelés sous-systèmes auxquels ils peuvent donner un sens. En étudiant les sous-systèmes et les corrélations entre eux, ils reconstruisent une compréhension de l'ensemble.

Cette approche a été utilisée avec beaucoup de succès pour expliquer des phénomènes et développer des applications basées sur la mécanique quantique, la physique de la matière et de l'énergie à l'échelle de l'atome ou plus petite. Mais il décrit en grande partie des systèmes qui fonctionnent dans un monde où le temps est absolu.

Il ne suffit pas de décrire des scénarios qui tiennent compte de la théorie de la relativité générale d'Einstein, où le temps est relatif et étroitement lié à l'espace dans un espace-temps à quatre dimensions.

Maintenant, une étude théorique co-écrite par Alexander Smith, professeur adjoint adjoint de physique, et Shadi Ali Ahmad '22, propose un nouveau cadre pour identifier les sous-systèmes et les corrélations d'une manière compatible avec la relativité générale.

Leur travail peut être appliqué à la construction d'une description quantique de l'espace-temps, dit Smith. Les physiciens théoriciens s'efforcent depuis longtemps de combiner la mécanique quantique et la relativité générale dans la théorie unifiée de la gravité quantique. Les tentatives pour enfin réconcilier ces théories fondamentalement différentes qui décrivent l'univers ont progressé au cours des deux dernières décennies.

Le nouveau cadre, publié en avril dans les Physical Review Letters journal, s'appuie sur les travaux antérieurs sur les sous-systèmes de la professeure de physique de la famille James Frank, Lorenza Viola, et de ses collaborateurs.

"La mécanique quantique permet des corrélations qui ne sont pas cohérentes avec notre compréhension classique du monde", explique Smith. Viola et ses collaborateurs nous ont donné une nouvelle façon de penser à ces corrélations quantiques originales, dit-il. Dans leur cadre, au lieu d'avoir des éléments de construction composites qui sont collés ensemble dans un système plus vaste, les sous-systèmes découlent du système complexe basé sur les types de mesures que l'on peut effectuer.

Smith, Ahmad et leurs collaborateurs appliquent cette idée pour construire un cadre d'identification des sous-systèmes, qui est cohérent avec la théorie de la relativité, et constatent que la notion de sous-système n'est plus objective.

"La façon dont nous partitionnons un système est également relative. Cela dépend de qui le regarde", explique Smith. Alors que leur méthode s'applique actuellement à des systèmes simples, les auteurs travaillent à généraliser le cadre.

Plusieurs concepts théoriques à l'origine de la compréhension émergente de la gravité quantique trouvent leur origine dans la théorie de l'information quantique, un domaine relativement nouveau qui étudie comment l'information dans un système quantique peut être analysée et manipulée. "La science de l'information quantique nous a donné cette toute nouvelle façon de penser à la mécanique quantique elle-même", déclare Smith.

En collaboration avec Smith et d'autres chercheurs, Ahmad, originaire de Beyrouth, au Liban, et spécialisé en physique et en mathématiques, a utilisé la théorie de l'information quantique pour étudier un certain nombre de problèmes théoriques différents.

Dans des travaux antérieurs, publiés dans Physical Review D , ils ont été les premiers à examiner comment les ondes gravitationnelles - des ondulations dans l'espace-temps causées lorsque des objets astronomiques massifs accélèrent à des niveaux extrêmes - affectent l'intrication entre les systèmes.

Un autre projet, publié dans Physical Review A , aborde la question de savoir comment le travail (la mesure de la quantité d'énergie transférée lorsqu'une force agit sur un objet) peut être défini à l'échelle quantique.

Smith dit qu'Ahmad est l'un des étudiants les plus déterminés à apprendre, les plus travailleurs et les plus productifs qu'il ait rencontrés. "Voir Shadi développer ses capacités en physique théorique au cours des quatre dernières années a été très gratifiant", dit-il.

Ahmad a remporté le Gazzaniga Family Science Award 2022, qui récompense les réalisations scientifiques d'un diplômé en sciences. Il est également récipiendaire du Prix de la chaire de physique et d'astronomie.

"La théorie de l'information quantique est une boîte à outils que j'aime emprunter et utiliser largement", déclare Ahmad. La promesse d'avoir accès à des possibilités de recherche de premier cycle et à du financement l'a attiré à Dartmouth, dit-il. Aujourd'hui chargé de recherche à Dartmouth, Ahmad termine ses projets en cours alors qu'il se prépare à postuler à des programmes d'études supérieures.

Avec les cours comme tremplin, il a recherché des mentors de recherche dans les départements de physique et de mathématiques, collaborant avec eux sur un large éventail de sujets de recherche.

"Parler de science avec les gens façonne votre façon de penser", déclare Ahmad, qui a déjà trois publications à son actif. "Je pense que cela aiguise vraiment votre intérêt." + Explorer plus loin

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