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recherche
La théorie de la gravitation quantique cherche à unifier la relativité générale d’Einstein et la physique
quantique dans un même cadre théorique. Des chercheurs de l’Institut Périmètre travaillent
activement sur un certain nombre d’approches de ce problème, dont la gravitation quantique à
boucles, les modèles de mousse de spin, la sécurité asymptotique, la gravité émergente, la théorie des
cordes et la théorie des ensembles causaux. La recherche sur la gravitation quantique rejoint d’autres
domaines comme la cosmologie, la physique des particules et les fondements de la physique quantique.
LA MAIN GAUCHE DE LA GRAVITÉ
La parité est le concept selon lequel si vous faites quelque chose –
peu importe ce que c’est – la version de cette chose que vous verriez
en regardant dans un miroir devrait également être possible. C’est
souvent vrai, mais pas toujours. La gravité ne change pas d’aspect
lorsqu’on la regarde dans un miroir. C’est aussi le cas de l’interaction
forte et de la force électromagnétique. Mais ce n’est pas vrai dans le
cas de l’interaction faible.
Alors que les physiciens recherchent une théorie qui unifierait toutes
les forces – en les décrivant comme des aspects d’une même théorie
–, la nature asymétrique de l’interaction faible pose un problème.
Comment se fait-il que cette force, et seulement cette force, puisse
distinguer sa main droite de sa main gauche?
Lee Smolin, professeur à l’Institut Périmètre,
et ses collaborateurs
Antonino Marciano et Stephon Alexander (tous deux du Collège
Dartmouth), abordent ce problème d’une manière nouvelle et
surprenante. Ils proposent une nouvelle unification des interactions
faibles et gravitationnelles qui explique l’asymétrie des interactions
faibles selon l’opérateur de parité comme la conséquence d’une
asymétrie cachée des lois de la gravité.
Cette idée ne sort pas de nulle part. La gravitation quantique à
boucles est une approche bien connue de l’unification de la gravité
et des autres interactions. Les chercheurs en gravitation quantique
à boucles utilisent souvent une reformulation de la relativité générale
appelée
formulation de Plebanski
. Comme toute reformulation, celle
de Plebanski n’est pas une théorie nouvelle – elle ne décrit aucun
phénomène nouveau ni ne fait de nouvelles prédictions. C’est
plutôt la traduction d’une théorie existante en un nouveau langage
mathématique. De telles reformulations rendent souvent les théories
– dans ce cas-ci la théorie de la relativité générale – plus faciles à
traiter, ou encore montrent de nouvelles manières d’en concevoir des
extensions.
C’est le cas des travaux récents de Lee Smolin et de ses collaborateurs.
Les chercheurs montrent qu’une théorie de Plebanski étendue unifie
naturellement la gravité et les interactions faibles d’une manière qui
explique l’asymétrie des interactions faibles pour la parité. Grosso
modo, les champs de jauge qui décrivent la gravité et les interactions
faibles sont au départ les images miroir l’un de l’autre. Mais cette
symétrie se révèle instable, avec pour résultat une rupture spontanée
de la symétrie entre la gauche et la droite, ce qui permet à la nature de
trouver un état stable où les moitiés gauche et droite des champs se
comportent de manière très différente. Une moitié devient la gravité, et
l’autre moitié l’interaction faible.
SUR LES TRACES DE MAX BORN
Laurent Freidel, professeur à l’Institut Périmètre,
et ses
collaborateurs suivent une piste ancienne et découvrent de nouvelles
idées saisissantes.
Cette piste commence en 1938 avec Max Born, l’un des pères de la
mécanique quantique.
Tout comme des générations de scientifiques l’ont fait après lui, Born
recherchait une unification de la mécanique quantique et de la relativité
générale, parce que ces deux cadres explicatifs de l’univers, tout en
étant fructueux, ne fonctionnent pas très bien ensemble.
Born avait remarqué dans la mécanique quantique une symétrie
fascinante entre espace et moment – principe qui allait plus tard être
connu sous le nom de
réciprocité de Born
–, et il se demandait si
l’on pourrait réaliser la difficile unification de la mécanique quantique
et de la relativité générale en unifiant l’espace-temps et l’espace des
moments dans une certaine structure géométrique.
Cependant, l’élaboration d’une telle structure s’est avérée trop difficile
pour Born et pour les physiciens qui l’ont tentée pendant les sept
décennies qui ont suivi.
Mais cela pourrait être à la veille de changer. Laurent Freidel et ses
collègues essaient de trouver une manière de construire ce cadre
dans le contexte de la théorie des cordes.
Gravitation quantique