🧤 🚌 👩🏽‍✈️ Ask Ethan No. 91: La théorie des cordes est-elle nécessaire pour la gravité quantique? 🔡 🥀 💊

Il me semble que tant de choses intéressantes différentes se sont produites dans la théorie des cordes que cela ne peut pas être faux. Les gens ne le comprennent pas bien, mais je ne crois pas qu'il y ait une conspiration cosmique qui ait créé une telle chose qui n'a rien à voir avec le monde réel.

Edward Whitten

Il ne fait aucun doute que, d'un point de vue mathématique, nous n'avons pas de lacunes dans toutes sortes d'appareils mathématiques beaux et élégants. Mais tous n'ont pas de sens dans l'univers physique. Pour chaque idée brillante qui décrit ce que nous pouvons voir et mesurer, il y a une autre idée brillante qui essaie de décrire la même chose, mais elle s'avère fausse. En discutant des questions concernant les alternatives à la théorie des cordes la semaine dernière, j'ai trouvé la déclaration suivante:

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Premièrement, il existe une grande différence entre la gravité quantique, la solution de théorie des cordes et d'autres alternatives.

Commençons par notre cher univers. Il existe une théorie générale de la relativité - notre théorie de la gravité. Elle postule que l'ensemble du système fonctionne un peu plus délicat que la simple "action à longue portée" que Newton a mise au point, dans laquelle toutes les masses à tous les endroits de l'univers ont émis des forces agissant les unes sur les autres, inversement proportionnelles au carré de la distance entre elles.

Masse, comme Einstein l'a expliqué en utilisant le principe d'équivalence E = mc ²en 1907, il n'y a qu'une seule forme d'énergie. Cette énergie enveloppe le tissu même de l'espace-temps, changeant la trajectoire le long de laquelle les corps se déplacent et pliant ce que l'observateur verrait comme un réseau cartésien. Les objets ne sont pas accélérés par une force invisible, mais voyagent simplement le long d'un chemin incurvé par les différentes formes d'énergie présentes dans l'univers.

C'est la gravité.

D'un autre côté, nous avons les lois quantiques de la nature. Électromagnétisme contrôlé par les particules chargées électriquement et leur mouvement. Ils sont décrits par le porteur d'interactions, le photon, qui joue le rôle d'intermédiaire et grâce auquel un phénomène surgit que nous associons à l'électricité et au magnétisme. Il y a encore deux forces nucléaires - la faible, responsable de la désintégration radioactive, et la forte, qui maintient les noyaux des atomes ensemble et permet généralement aux protons et aux neutrons d'exister.

Les calculs de ces forces sont effectués dans un espace-temps plat - donc chaque étudiant commence à étudier la théorie quantique des champs. Mais en présence d'un espace-temps courbe, obéissant à la théorie générale de la relativité, tout commence à mal se comporter.

"Eh bien, faisons nos calculs quantiques dans le contexte d'un espace courbe!" - vous suggérez. C'est ce qu'on appelle la gravité semi-classique, et nous permet de calculer des choses comme le rayonnement de Hawking. Mais même alors, ces calculs ne se produisent que sur l'horizon des événements du trou noir, et non là où la gravité est encore plus forte. Comme l'explique la physicienne Sabina Hossenfelder , nous avons besoin de la théorie quantique de la gravité à plusieurs endroits, et tous sont liés à la physique de la gravité à des distances microscopiques.

Par exemple, que se passe-t-il au centre d'un trou noir? Une singularité n'est pas tant un point de densité infinie qu'un point où les mathématiques de la GR donnent des réponses dénuées de sens pour les potentiels et les forces. Que se passe-t-il, par exemple, lorsqu'un électron passe à travers deux fentes en même temps?

Le champ gravitationnel passe-t-il par les deux fentes? Par l'un d'eux? Il n'y a pas de réponse à cette question dans GR.

Comme s'il devait y avoir une théorie quantique de la gravité pour de tels problèmes et d'autres similaires associés à une relativité générale «douce». Pour expliquer ce qui se passe à courte distance en présence de sources de gravité ou de masse, nous avons besoin d'une théorie de la gravité quantique, discrète, c'est-à-dire basée sur les particules.

Grâce aux propriétés de la relativité générale, nous savons déjà quelque chose.

Les forces quantiques connues sont transmises par des particules appelées bosons ou par des particules ayant un spin entier. Un photon transmet une interaction électromagnétique, les bosons W et Z transmettent une interaction faible et les gluons transmettent une interaction forte. Pour toutes ces particules, le spin est égal à 1, c'est-à-dire que le spin des particules massives (W et Z) peut prendre des valeurs -1, 0 ou +1, et sans masse (gluons et photons) - seulement -1 ou +1.

Le boson de Higgs est un boson, bien qu'il ne transfère pas l'interaction et ait le spin 0. Notre connaissance de la gravité (GR est la théorie de la gravité du tenseur) dit qu'elle devrait être transmise par une particule sans masse de spin 2, c'est-à-dire dont le spin peut prendre des valeurs -2 ou +2.

Autrement dit, nous savons déjà quelque chose sur la théorie quantique de la gravité, avant même de la formuler! Quoi qu'il en soit, il doit correspondre au GR à de grandes distances - tout comme le GR doit dégénérer dans la théorie newtonienne de la gravité dans les cas de champs faibles.

Mais comment? Comment quantifier la gravité pour que la théorie décrive correctement le monde qui l'entoure, compatible avec GR et TAG, et, de préférence, conduise à des prédictions calculées de tels phénomènes qui peuvent être observées et mesurées?

Vous avez entendu parler du candidat principal - c'est la théorie des cordes.

1) Théorie des cordes. Il s'agit d'un appareil intéressant - il peut inclure tous les champs et particules connus du modèle standard, à la fois les fermions et les bosons. Il comprend également une théorie de la gravité tenseur-scalaire à dix dimensions, où il y a 9 dimensions spatiales, une dimension temporelle et un paramètre de champ scalaire. En supprimant six dimensions en utilisant la compactification (un processus incomplètement décrit) et en déplaçant le paramètre ω, qui décrit l'intégration scalaire, à l'infini, nous obtenons GR.

Mais avec TS, il existe de nombreux problèmes phénoménologiques. Par exemple, elle prédit la présence d'un tas de nouvelles particules, y compris toutes supersymétriques, dont aucune n'a été trouvée. Elle prétend qu'elle n'a pas besoin de «paramètres libres» comme modèle standard (masse de particules), mais elle remplace ce problème par un pire encore. Kent parle de ^{10 500}diverses solutions - et elles se réfèrent aux attentes de vide des valeurs de champ de chaîne, mais il n'y a aucun mécanisme qui permettrait de les établir. Si vous avez besoin du TS pour fonctionner, vous jetez la dynamique et dites: "Eh bien, il a été choisi selon le principe anthropique."

Mais ST est loin d'être la seule option.

2) Gravité quantique en boucle. PCG, au lieu de quantifier les particules, suggère d'envisager l'option d'un espace discret. Imaginez une feuille étirée avec une boule de bowling au milieu. Seul ce tissu ne sera pas lisse - la vraie feuille est réellement quantifiée, elle est constituée de molécules, et celles d'atomes, et celles de noyaux et d'électrons.

Il en va de même pour l'espace. Il peut fonctionner comme un tissu, mais il peut également être fabriqué à partir d'entités finies. Peut-être qu'il a cousu et cousu - où la théorie tire-t-elle son nom. Cousez les boucles et vous obtenez un réseau représentant l'état quantique du champ gravitationnel. Dans ce cas, non seulement la matière, mais l'espace sera quantifié. Comment parvenir à des calculs quantiques réalistes à partir de cette vue est une question ouverte, et ses recherches, qui ont fait une percée en 2007-2008, continuent d'avancer activement.

3) Gravité asymptotiquement sûre. Ma tentative préférée d'approcher le CTG. Liberté asymptotiquea été développé dans les années 70 pour expliquer la propriété inhabituelle des interactions fortes - à courte distance, la force est très faible, et lorsque les particules chargées de couleur sont éliminées, elle s'intensifie. Contrairement à l'électromagnétisme, dans lequel la constante d'interaction est petite, dans une interaction forte, elle est grande. Grâce aux propriétés intéressantes de la chromodynamique quantique, si vous construisez un système sans couleurs, la force des interactions diminuera très rapidement.

La sécurité asymptotique semble résoudre le principal problème associé à cela - vous n'avez pas besoin de constantes d'interaction petites ou tendant vers zéro. Vous avez besoin que les constantes soient finies. Toutes les constantes d'interaction varient avec l'énergie, et la sécurité asymptotique sélectionne simplement une valeur pour la constante dans les cas de haute énergie, et tout le reste après cela peut être calculé pour les énergies inférieures.

Certes, jusqu'à présent, nous avons trouvé comment y faire face uniquement dans l'espace bidimensionnel, où 1 dimension est dans l'espace et une dans le temps. Mais le processus est en cours. Christoph Wetterich a publié deux œuvres révolutionnaires dans les années 90. Il y a six ans, il a utilisé cette théorie pour prédire la masse du boson de Higgs avant sa découverte par le LHC. Et le résultat a coïncidé avec la réalité. C'est une merveilleuse prédiction que lorsque la barre des erreurs de calcul baisse encore plus et que les masses du boson W et du boson de Higgs sont finalisées, nous n'avons même pas besoin d'autres particules élémentaires (comme supersymétriques) pour que la physique se comporte de manière stable jusqu'aux échelles de Planck.

Elle n'est pas seulement prometteuse, elle a les mêmes propriétés positives que la théorie des cordes: elle quantifie la gravité, dégénère en relativité générale à basse énergie et est UV-finie. Et elle, contrairement aux cordes, n'a pas besoin d'un chariot de camelote supplémentaire pour lequel il n'y a aucune preuve.

4) Triangulation dynamique causale. Il s'agit d'un nouveau produit développé en 2000 par Rinate Loll.. Il ressemble au PCG en termes de discrétion de l'espace, mais traite principalement de l'évolution de l'espace lui-même. L'une des propriétés intéressantes de cette théorie est que le temps est également discret. La théorie implique un espace-temps à 4 dimensions (non postulé, mais il s'ensuit), qui à haute énergie se transforme en deux dimensions. Il est basé sur le concept mathématique d'un simplexe, qui est un analogue multidimensionnel d'un triangle. 2-simplex est un triangle, 3-simplex est un tétraèdre, etc. Fait intéressant, le principe de la préservation de la causalité découle clairement de cette théorie. Elle peut peut-être décrire la gravité, mais jusqu'à présent, nous ne sommes pas sûrs à 100% que le modèle standard de particules élémentaires puisse y être poussé.

5) Gravité induite. La théorie la plus spéculative et la plus récente qui est devenue connue en 2009, quand Eric Verlinde a proposé la théorie de la gravité entropique - un modèle où la gravité n'est pas la force principale, mais découle d'un phénomène associé à l'entropie. Les germes de cette théorie remontent à la découverte des conditions d'émergence de l'asymétrie baryonique de l'univers, au concept d'Andrei Sakharov, proposé par lui en 1967. La théorie est trop nouvelle pour en demander beaucoup.

Eh bien, qu'avons-nous aujourd'hui concernant la question de la gravité quantique. Nous en avons besoin pour faire fonctionner l'univers à des niveaux de particules, mais nous ne savons pas à quoi il ressemble et si l'une des théories décrites jouera. La théorie des cordes est la plus étudiée de toutes, la gravité asymptotiquement sûre est ma préférée, la gravité quantique en boucle est la deuxième plus populaire des cinq, et la triangulation dynamique causale et la gravité induite sont de nouvelles théories qui sont actuellement activement développées.

Ask Ethan No. 91: La théorie des cordes est-elle nécessaire pour la gravité quantique?

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