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L'un des plus grands défis de la physique moderne est de trouver une théorie unique ou «unifiée» capable de décrire toutes les lois de la nature dans un cadre unique. Celle qui relie les deux grandes (et inconciliables) théories que, aujourd'hui, les scientifiques utilisent pour comprendre la réalité : la Relativité Générale d'Einstein, qui décrit l'Univers à grande échelle ; et la mécanique quantique, qui décrivent notre monde au niveau atomique. Pourquoi ces deux théories réussies s'emboîtent est l'un des plus grands mystères auxquels la science est confrontée.
Si elle est confirmée, cette théorie de « l'enregistrement quantique » comprendra à la fois une description macroscopique et microscopique de la réalité, et la nôtre donnerait également un aperçu approfondi de phénomènes inaccessibles aujourd'hui, tels que les trous noirs ou l'instant où l'Univers a été créé.
Mais comment l'obtenir ? Pendant près d'un siècle, des générations de physiciens ont tenté en vain de comprendre pourquoi les lois qui s'appliquent au domaine de l'infiniment petit ne "fonctionnent" pas dans le monde macroscopique qui nous entoure, et vice versa. Maintenant, une équipe de chercheurs de l'Université de technologie Chalmers en Suède, en collaboration avec le MIT américain, a publié un article dans "Nature Communications" dans lequel ils suggèrent que la gravité, la force qui a dominé l'Univers, se produit à grande échelle. . en fait du monde quantique. Pour parvenir à cette conclusion extraordinaire, les chercheurs ont eu recours aux mathématiques avancées et au soi-disant «principe holographique».
"Nos efforts pour comprendre les yeux de la nature -explique Daniel Persson, co-auteur de l'étude-, et le langage dans lequel ces lois sont écrites sont les mathématiques. Lorsque nous cherchons des réponses à des questions en physique, elles nous conduisent souvent à de nouvelles découvertes en mathématiques également. Cette interaction est particulièrement importante dans la quête de la gravité quantique, où il est extrêmement difficile de mener des expériences."
Un exemple de phénomène qui nécessite ce type de description unifiée de ses trous noirs. Un trou noir s'est formé lorsqu'une étoile suffisamment lourde s'effondre sous sa propre attraction gravitationnelle pour que toute sa masse soit concentrée dans un volume extrêmement petit. La description de la mécanique quantique des trous noirs en est encore à ses balbutiements, mais elle fait appel à des mathématiques avancées spectaculaires.
Dans ce cas de la théorie unifiée, expliquée par Robert Berman, premier auteur de l'article, « le défi est de décrire comment l'onde de gravité s'est formée en tant que phénomène « émergent ». Tout comme les phénomènes quotidiens, tels que l'écoulement d'un liquide, émergent des mouvements chaotiques de gouttelettes individuelles, nous voulons décrire comment la gravité émerge du système de mécanique quantique au niveau microscopique."
À partir de cette forme, les chercheurs ont démontré comment le gravier émerge d'un système spécial de la mécanique quantique, dans un modèle simplifié par le gravier quantique appelé «principe holographique».
"En utilisant des techniques mathématiques que j'avais déjà étudiées auparavant", poursuit Berman, "nous avons réussi à formuler une explication de la façon dont la gravité surgit par le principe holographique, d'une manière plus précise qu'auparavant."
Le nouvel objet peut également offrir une nouvelle façon de gérer la mystérieuse énergie noire. Dans la théorie générale de la relativité d'Einstein, la gravité est décrite comme un phénomène géométrique. Tout comme un lit nouvellement construit plie sous le poids d'une personne, des objets lourds peuvent plier l'espace-temps, le « tissu » qui constitue l'Univers.
Mais selon la théorie d'Einstein, même l'espace vide, « l'état de vide » de l'Univers, a une structure géométrique riche. Si nous devions zoomer et regarder ce vide avec un microscope, nous verrions de minuscules fluctuations mécaniques quantiques ou ondes, connues sous le nom d'énergie noire, la mystérieuse énergie formée que l'on pense être responsable de l'accélération de l'expansion de l'Univers.
L'étude peut conduire à de nouvelles compréhensions sobres de la façon dont ces ondes microscopiques de la mécanique quantique se produisent, ainsi que de la relation entre la théorie de la gravité d'Einstein et la mécanique quantique, ce que les scientifiques essaient depuis des décennies.
« Ces résultats -conclut Persson- ouvrent la possibilité de tester d'autres aspects du principe holographique, comme la description microscopique des trous noirs. Nous espérons également pouvoir utiliser ces nouvelles connaissances à l'avenir pour innover en mathématiques."
