Ce dont vous avez besoin pour la gravité quantique, c'est plus d'expérimentation
Les mathématiques ne résoudront pas le problème de la gravité quantique, seules les expériences peuvent le faire
Au milieu des années 90, j'ai étudié les mathématiques. Je n'étais pas complètement sûr de ce que je voulais faire dans la vie, mais j'ai été frappé par la capacité des mathématiques à décrire le monde naturel. Après des cours de géométrie différentielle et d'algèbres de Lie, j'ai assisté à une série de séminaires du Département de mathématiques, qui ont discuté du plus grand problème de physique fondamentale: la quantification de la gravité et l'unification de toutes les forces de la nature sous un même parapluie théorique. Les ateliers ont été menés autour d'une nouvelle approche développée par Abei Ashtekar de l'Université de Pennsylvanie. Je n'ai jamais rencontré cette étude auparavant et je suis reparti avec la pleine impression que le problème a été résolu et que personne d'autre ne le sait encore.Tout cela semblait une pure victoire d'un esprit clair. Les exigences de connectivité mathématique ont conduit, par exemple, à la découverte du boson de Higgs. Sans cela, le modèle standard pour les particules entrant en collision avec des énergies supérieures à 1 TeV cesserait de fonctionner - et ces énergies sont disponibles au Grand collisionneur de hadrons. Les probabilités ne donneraient pas un total de 100% et perdraient leur signification mathématique. Par conséquent, lors du franchissement de cette frontière énergétique, quelque chose de nouveau aurait dû apparaître. Higgs était la plus simple des possibilités que les physiciens pouvaient trouver, et ils l'ont naturellement trouvée.
Une étoile à neutrons à déplacement rapide PSR B1509-58 vit dans cette nébuleuse. Les étoiles à neutrons émettent des impulsions régulières dans la portée radio, et elles peuvent être utilisées pour rechercher des effets de gravité quantique.Dans les années 1920 et 1930, l'écart mathématique entre la théorie spéciale de la relativité d'Einstein et la version originale de la mécanique quantique a conduit à l'émergence de la théorie des champs quantiques, sur laquelle le modèle standard était alors basé. L'écart mathématique entre la théorie spéciale de la relativité et la gravité newtonienne a conduit à l'émergence d'une théorie générale de la relativité - notre théorie de la gravité la plus moderne. Maintenant, les physiciens ont une différence entre le modèle standard et GR. Bien sûr, nous nous attendons à ce que la solution de ce problème sous la forme de la théorie quantique de la gravité devienne la même perturbation des couvertures que les cas précédents.Mais au fil du temps, j'ai découvert d'autres chercheurs qui utilisaient d'autres méthodes et convaincu qu'ils étaient également près de résoudre le problème. Théorie des cordes, gravité quantique en boucle, triangulation dynamique causale, gravité asymptotiquement sûre, ensembles causaux ... Les scientifiques qui pratiquaient ces approches étaient également convaincus qu'ils pouvaient déchiffrer la nature en utilisant uniquement les mathématiques. Ils diffèrent non pas parce que l'un d'eux a fait des erreurs dans les conclusions mathématiques, mais parce qu'ils sont partis de prémisses différentes. Les mathématiques sont nécessaires pour mener à bien une série de conclusions logiques, mais pas une seule conclusion mathématique ne sera meilleure que ses prémisses. La logique ne suffit pas pour choisir entre les théories physiques. La seule façon de savoir quelle théorie décrit la nature est de réaliser un test expérimental.Mais les physiciens travaillant sur différentes approches communiquaient rarement entre eux, et s'ils communiquaient, ils n'étaient jamais d'accord. Et pourquoi? En l'absence de preuves expérimentales, ils n'avaient aucune raison d'être d'accord. Les mathématiques se sont accumulées, des dizaines de milliers d'articles ont été créés, des centaines de conférences ont eu lieu. Et pas une seule approche n'a produit de solution sans ambiguïté. Et au fil des décennies, sans succès, des doutes planaient de plus en plus sur la recherche de la gravité quantique.
Étrange, mais dans les années 90, presque personne n'a essayé de trouver des preuves observables de la gravité quantique; on pensait que c'était impossible. Les effets de la gravité quantique sont extrêmement faibles. Les physiciens ont estimé la probabilité de détecter les particules de gravité présumées - les gravitons - et ont constaté que les chances de cela sont faibles même lors de l'utilisation de détecteurs de la taille de Jupiter en orbite autour d'une étoile à neutrons. [Rothman, T. & Boughn, S., Peut-on détecter des gravitons? Foundations of Physics 36, 1801-1825 (2006)]Mais est-il vraiment nécessaire de détecter directement les gravitons afin de trouver des preuves de la gravité quantique? Cette question ne m'a pas laissé partir. À la fin des années 90, je suis passé à l'étude de la physique. La plupart des physiciens travaillant avec la gravité quantique croient encore que leurs mathématiques leur ouvriront la voie du succès. Je n'y crois pas. Mais je n'ai aucun pessimisme quant à l'inaccessibilité expérimentale de la gravité quantique. Au contraire, j'espère prudemment que même au cours de ma vie, nous réussirons à démontrer la quantification de la gravité dans une expérience.Ceux d'entre nous qui recherchent des preuves expérimentales de la gravité quantique sont confrontés à un problème de recherche unique: nous n'avons ni théorie ni données! Mais même en l'absence d'une théorie généralement acceptée de la gravité quantique, nous pouvons étudier les propriétés de base attendues d'elle et trouvées dans diverses théories candidates.Par exemple, certaines théories indiquent la discrétion de l'espace-temps. Dans ce cas, il peut présenter des défauts, comme des cristaux, susceptibles de confondre la lumière et de brouiller les images de quasars éloignés. Certaines théories croient que l'espace-temps est une sorte de base ou de liquide, auquel cas même sous vide, on pourrait trouver des propriétés matérielles, telles que la viscosité ou la dispersion. Certaines théories prédisent la rupture de symétrie, respectée en relativité générale; d'autres pensent que les fluctuations quantiques de l'espace-temps peuvent perturber les systèmes quantiques sensibles. Tout cela peut être recherché.Vous savez déjà que nous n'avons rien trouvé - sinon vous en auriez entendu parler. Mais même le manque de résultats aide à développer des théories. De tels cas nous apprennent que certaines idées - par exemple, que l'espace-temps peut être un réseau périodique - sont tout simplement incompatibles avec les observations.Bien sûr, il vaudrait beaucoup mieux obtenir une vraie confirmation. Ces dernières années, nous avons pu trouver plusieurs nouvelles opportunités pour atteindre cet objectif. Prenez les ondes gravitationnelles primaires. Ces petites fluctuations de l'espace-temps dans le premier univers auraient dû laisser une empreinte distinctive sur le rayonnement relique. En 2014, le groupe commun BICEP2 a annoncé la mesure de cette empreinte digitale, et bien qu'ils se soient trompés, cela ne signifie pas que les vagues n'existent pas. Juste pour les trouver, il faudra plus d'efforts. Et si nous les découvrons, leurs propriétés quantiques nous aideront à développer notre modèle. Lawrence Kraus de l'Arizona University et Frank Wilchek du MIT soutiennent que la détection des ondes gravitationnelles primaires montrera que la gravité devrait être quantifiée [Krauss, L. & Wilczek, F., Utilisation de la cosmologie pour établir la quantification de la gravité.Revue physique D 89, 047501 (2014)]. Leur argument est trop simplifié, mais Vincent Vennin [Martin, J. & Vennin, V. Discorde quantique de l'inflation cosmique: pouvons-nous montrer que les anisotropies cmb sont d'origine quantique-mécanique? Revue physique D 93, 023505 (2016)] et Eugene Bianchi [Bianchi, E., Hackl, L., & Yokomizo, N. Temps d'intrication dans l'univers primordial. International Journal of Modern Physics D 24, 1544006 (2015)] engagé indépendamment dans l'analyse des données CMB qui peuvent faire la distinction entre les fluctuations quantiques et non quantiques.Temps d'intrication dans l'univers primordial. International Journal of Modern Physics D 24, 1544006 (2015)] engagé indépendamment dans l'analyse des données CMB qui peuvent faire la distinction entre les fluctuations quantiques et non quantiques.Temps d'intrication dans l'univers primordial. International Journal of Modern Physics D 24, 1544006 (2015)] engagé indépendamment dans l'analyse des données CMB qui peuvent faire la distinction entre les fluctuations quantiques et non quantiques.
Télescope BICEP2 au pôle Sud,il y a encore des trous noirs. La physique des trous noirs est l'un des principaux sujets d'étude de la gravité quantique. Pendant longtemps, on a cru que les effets gravitationnels quantiques ne seraient perceptibles que plus près du centre des trous noirs, cachés derrière l'horizon indiquant sa frontière, et donc incommensurables de l'extérieur. Mais ces dernières années, cette croyance a été ébranlée. Par exemple, selon une hypothèse théorique, les trous noirs sont entourés de pare - feu - des surfaces de matériau qui détruisent le matériau qui y tombe. Bien que moi et certains autres chercheurs aient remis en question cet argument [Hossenfelder, S. Démêler le vide du trou noir. Physical Review D 91, 044015 (2015)], ce n'est pas la seule raison de supposer que des effets de gravité quantique peuvent apparaître à l'horizon.Et s'ils apparaissent, alors l'étude des trous noirs peut nous révéler des informations sur la gravité quantique. Michael Kavic de Long Island University a suggéré de rechercher des systèmes binaires consistant en une étoile à neutrons en orbite autour d'un trou noir. Une étoile à neutrons émet des ondes radio, et si ce rayon frappe l'horizon du trou noir, l'élan observé sera modifié par la structure de ce trou [Estes, J., Kavic, M., Lippert, M., & Simonetti, JH, Shining light on quantum gravity with pulsar -des binaires à trous noirs. arXiv: 1607 00018 (2016)]. Une autre approche du Niayesh Afshordi du Perimeter Institute étudie les ondes gravitationnelles créées par la fusion des trous noirs. Des effets quantiques peuvent se produire lorsqu'un trou noir nouvellement formé prend sa forme finale [Abedi, J., Dykaar, H., &Afshordi, N. Echoes from the Abyss: Preuve d'une structure à l'échelle de Planck à l'horizon des trous noirs. arXiv: 1612,00266 (2016)].Mais l'idée la plus prometteuse est venue sous un angle inattendu. Si le champ gravitationnel peut être quantifié, il doit avoir certaines caractéristiques quantiques, comme une superposition dans laquelle le système est simultanément dans des états différents.Prenons un exemple de base du comportement quantique: une expérience avec deux fentes. Si vous dirigez un faisceau d'électrons vers un écran dans lequel deux fentes sont coupées, les électrons forment une certaine forme d'onde. Pour son apparence, chaque électron doit traverser les deux fentes simultanément - c'est une superposition de chemins. Mais l'électron a une masse, et il affecte le champ gravitationnel. Si un électron est dans une superposition quantique, alors son champ doit également être dans une superposition quantique. C'est une idée très étrange. Si la même chose se produit avec la Terre entière, alors une pomme qui tombe d'un arbre subira deux champs gravitationnels différents et tombera dans deux directions différentes en même temps. De telles caractéristiques sont incompatibles avec la mécanique quantique et la relativité générale; la superposition des champs devrait être inhérente à la gravité quantique.Jusqu'à présent, personne n'a observé de tels effets, car le champ gravitationnel d'un électron est trop faible pour qu'il puisse être mesuré. Ces dernières années, plusieurs groupes expérimentaux ont créé des superpositions pour des objets beaucoup plus massifs. La science de pointe d'aujourd'hui travaille avec la masse en nanogrammes. Marcus Aspelmeyer et son groupe de Vienne se sont lancés dans un projet ambitieux pour mesurer l'attraction de masse gravitationnelle de 1 milligramme [Schmöle, J., Dragosits, M., Hepach, H., et Aspelmeyer, M. Une expérience de preuve de principe micromécanique pour mesurer la force gravitationnelle des masses en milligrammes. Gravité classique et quantique 33, 125031 (2016)]. Le jour n'est pas loin où nous pouvons mesurer le champ gravitationnel des objets quantiques.Mauro Paternostro utilise une approche similaire avec des collègues de l'Université du Queens à Belfast pour déterminer exactement quelles caractéristiques devraient distinguer un champ gravitationnel quantifié d'un champ non quantifié [Krisnanda, T., Zuppardo, M., Paternostro, M., Tomasz Paterek, T. Revealing non -classicité des objets non mesurés. arXiv: 1607.01140 (2016)]. Leur approche est liée à une propriété quantique typique, l'intrication, dans laquelle il existe une corrélation des propriétés de différents objets. Imaginez deux objets interagissant par gravité. Les corrélations entre eux dépendront de la quantification ou non de ce champ. En théorie, les corrélations peuvent être mesurées et le champ quantifié.
Si nous avions des lunettes pour observer les ondes gravitationnelles, la fusion des trous noirs aurait semblé plus brillante qu'une explosion de supernovaLe fait que la science ait besoin d'une confirmation expérimentale des idées ne peut pas être qualifié de nouveau, mais le rêve des philosophes anciens que le raisonnement seul peut percer les secrets de la nature, malheureusement, vit parmi les théoriciens travaillant sur la gravité quantique. En conséquence, les exercices mentaux, qu'ils soient arbitrairement complexes, se résument à des préférences esthétiques ou philosophiques lors du choix des prérequis. Une énorme quantité de littérature sur la gravité quantique est engagée dans l'enterrement de ces locaux sous des montagnes mathématiques.Vingt ans après avoir entendu parler de la gravité quantique pour la première fois, ce domaine est toujours dominé par des scientifiques qui s'appuient sur la séquence mathématique. Mais le nombre de ceux qui, comme moi, étudient les possibilités de vérification expérimentale de la gravité quantique augmente. Et plus l'échec de la méthode mathématique devient visible, plus il est clair que la seule voie à suivre est de rechercher des preuves expérimentales, quelle que soit sa complexité. La première étape consiste à démontrer la quantification de la gravité. Et puis vous pouvez commencer tout le spectre des phénomènes gravitationnels. C'est ainsi que nous transférerons la gravité quantique des mathématiques à la physique.Et ce qui est devenu physique peut devenir ingénierie. Contrairement à beaucoup de mes collègues, je pense que la compréhension de la quantification de la gravité peut nous aider dans la pratique. Une telle théorie améliorera non seulement notre compréhension de l'espace et du temps, mais aussi des systèmes quantiques en général. Ce sera un long chemin. Mais il nous a fallu 2000 ans pour passer des quatre éléments d'Aristote aux quatre forces de la physique. Le voyage sera donc long.Source: https://habr.com/ru/post/fr401699/
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