Début février 2018, une communauté de physiciens des hautes énergies - intéressés par les particules, les champs, les cordes, les trous noirs et l'ensemble de l'Univers dans son ensemble - a pleuré la perte d'un des plus grands physiciens théoriciens de notre temps,
Joe Polchinski . C'est extrêmement douloureux pour moi d'écrire ces lignes.
Quiconque le connaissait personnellement manquerait ses qualités particulières - un sourire de garçon, un sens de l'humour étrange, une manière charmante d'insister sur la moitié de la phrase à penser, une forme physique et le désir d'une compétition amicale. Quiconque connaît ses recherches manquera son génie spécial, ses idées exceptionnelles, sa combinaison unique de capacités, que j'essaierai de vous décrire plus en détail. Ceux d'entre nous qui ont la chance de le connaître personnellement et professionnellement connaissent une double perte.
Polchinski - et pour tous ses collègues, juste Joe - possédait l'un de ces esprits qui fonctionnent comme par magie et donnent de la magie. Les esprits scientifiques sont aussi divers que les personnalités. Chaque physicien possède une combinaison unique de compétences et de talents (et de faiblesses); en termes modernes, chacun de nous a un ou deux superpuissances. Il est rare de rencontrer deux scientifiques ayant les mêmes capacités.
Joe avait plusieurs super-pouvoirs, et très puissants. Il avait une incroyable capacité à regarder les anciennes tâches et à les voir sous un nouveau jour, ce qui retournait souvent le bon sens ou le reformulait d'une manière nouvelle et plus claire. Et il avait des compétences techniques stupéfiantes qui lui ont permis de suivre jusqu'au bout les chemins de l'informatique complexe qui aliénerait la plupart d'entre nous.
Le travail en commun avec Joe a été l'un des plus grands privilèges de ma vie - et cela n'est pas arrivé une fois, mais quatre. Je pense que je pourrai surtout vous parler de lui et de plusieurs de ses plus grandes réalisations à travers le prisme de cette expérience inoubliable.
Notre travail collaboratif de 1999 à 2006 était une séquence définie visant à comprendre la relation stable entre la théorie quantique des champs - le langage de la physique des particules - et la théorie des cordes - mieux connue aujourd'hui comme candidate à la théorie quantique de la gravité. Dans chacun de ces travaux, comme dans plusieurs milliers d'autres écrits après 1995, le rôle principal a été joué par une contribution influente de Joe à la physique. Ce fut la découverte d'objets connus sous le nom de
D-branes , découverts par lui dans le contexte de la théorie des cordes.
J'entends déjà des contestataires me crier dessus, qui détestent la théorie des cordes. "Une découverte dans la théorie des cordes", crie quelqu'un, frappant à la table, "dans une théorie non testée et non testée, ne peut pas être appelée une découverte en physique." Ne faites pas attention à eux - comme vous le verrez vers la fin de ce texte, ils comprennent peu.
Grande découverte
En 1989, Joe, en collaboration avec deux jeunes scientifiques, Jin Dai et Rob Leigh, a étudié certaines caractéristiques de la théorie des cordes et fait quelques petits exercices de mathématiques. Dans la théorie des cordes, les cordes sont généralement de petites lignes ou boucles qui peuvent se déplacer librement - comme des particules se déplaçant dans une pièce. Mais dans certains cas, les particules ne peuvent pas se déplacer librement; il est possible par exemple d'étudier des particules piégées à la surface d'un liquide ou dans une antenne métallique très fine. Des poignées de cordes peuvent exister d'un type différent, qui n'existe pas pour les particules - par exemple, il est possible de fixer une extrémité, ou les deux extrémités d'une chaîne à la surface, permettant à la partie centrale de la chaîne de se déplacer librement. L'endroit où la fin de la chaîne peut être attachée - que ce soit un point, une ligne ou une surface, ou quelque chose de plus exotique de dimensions supérieures - aujourd'hui, nous appelons "D-brane".
Joe et ses collègues sont tombés sur un trésor, mais ils ne l'ont pas compris tout de suite. Avec le recul, ils ont découvert que les D-branes appartiennent aux propriétés automatiques de la théorie des cordes. Ils ne sont pas facultatifs; on ne peut pas étudier les théories des cordes dans lesquelles il n'y a pas de D-branes. Et ce ne sont pas seulement des surfaces ou des lignes fixes. Ce sont des objets physiques qui peuvent se déplacer dans le monde. Ils ont une masse et un effet gravitationnel. Ils se déplacent et s'éloignent l'un de l'autre. Ils sont tout aussi réels et importants que les cordes elles-mêmes!
Fig. 1: D-branes (vert) - objets physiques sur lesquels les chaînes fondamentales peuvent se terminer (rouge)Il s'est avéré que Joe et ses collègues ont essayé de comprendre pourquoi le poulet a traversé la route [un
début populaire du même type de blagues / env. perev. ], et en conséquence découvert l'existence de vélos, voitures, camions, bus et jets. C'était donc inattendu et profond.
Et pourtant, personne, y compris Joe et ses collègues, n'a complètement compris ce qu'ils avaient fait. Rob Ley, co-auteur de Joe, s'est assis dans mon bureau d'à côté pendant quelques années, et nous avons écrit cinq œuvres avec lui de 1993 à 1995. En même temps, il me semble que Rob a mentionné son travail sur les D-branes une ou deux fois brièvement, et ne m'a jamais expliqué en détail. Début 1995, leur travail n'a pas été mentionné plus de 20 fois.
En 1995, la compréhension de la théorie des cordes a fait un grand pas en avant. C'est alors qu'il est devenu clair que les cinq types connus de théorie des cordes sont des côtés différents des mêmes dés - qu'en fait, la théorie des cordes en est un. Un ensemble d'œuvres est apparu dans lequel le rôle principal était joué par les trous noirs spéciaux et leur généralisation - cordes noires, surfaces noires, etc. La relation entre eux était très intéressante, mais souvent incompréhensible.
Et puis, en octobre 1995, des
travaux sont apparus qui ont changé à jamais toute cette discussion. Ce Joe nous a expliqué les D-branes, ceux qui avaient à peine entendu parler de ses premiers travaux, et a démontré que bon nombre de ces trous noirs, cordes noires et surfaces noires étaient en fait des D-branes. Grâce à son travail, tous les calculs sont devenus plus simples, plus clairs et plus précis; elle est immédiatement devenue un succès. Début 1996, elle a été mentionnée 50 fois; après douze mois, le nombre de références avoisinait les 300.
Et alors? Pour les experts de la théorie des cordes, c'est génial, mais cela n'a aucun lien avec le monde réel et les expériences. Pourquoi tout le monde en a-t-il besoin? Patience, j'y mène.
Comment est-ce lié à la nature?
Aujourd'hui, nous essayons de comprendre comment l'univers fonctionne avec les particules. Les objets matériels sont constitués d'atomes, ils sont constitués d'électrons en orbite autour d'un noyau; le noyau est constitué de neutrons et de protons. Dans les années 1970, nous avons appris que les protons et les neutrons eux-mêmes sont constitués de particules appelées quarks, antiquarks et gluons - en particulier, de la «mer» de gluons et de plusieurs paires quark / antiquark, plus trois quarks supplémentaires qui n'ont pas leur propre paire d'antiquark - ils sont souvent appelés «quarks de valence». Les protons, les neutrons et toutes les autres particules à trois quarks de valence sont appelés "
baryons ". Notez qu'il n'y a pas de particules avec un, ou deux ou quatre quarks de valence - il n'y a que des baryons avec trois. [
ils disent qu'il y a encore des pentaquarks - particules avec cinq quarks de valence / env. perev. ]
Dans les années 1950 et 1960, les physiciens ont découvert des particules de courte durée de vie, similaires aux protons et aux neutrons, avec la même mer, mais contenant un quark de valence et un antiquark de valence. Les particules de ce type sont appelées «
mésons ». Dans la fig. 2 J'ai esquissé un méson typique et un baryon typique. Le méson le plus simple est appelé "
pivoine "; il s'agit de la particule la plus courante provenant de protons obtenus lors de collisions avec des protons au Grand collisionneur de hadrons.
Fig. 2: valence quarks rouge, antiquarks bleu; quarks de mer, antiquarks et gluons noirs.Mais dans les années 1960, le fait que les mésons et les baryons se composent de quarks et de gluons n'était qu'une idée - et elle a concurrencé la proposition selon laquelle les mésons étaient de minuscules cordes. Je m'empresse de préciser qu'ils ne sont pas des cordes de la «théorie de tout», qui peut être lue dans les livres de
Brian Green , et qui sont un milliard de milliards de fois plus petits que le proton. Dans les chaînes de la «théorie de tout», tous les types de particules de la nature, y compris les électrons, les photons et les bosons de Higgs, sont de minuscules chaînes. Et maintenant je parle des cordes de la "théorie des mésons" - pas une idée si ambitieuse, selon laquelle les cordes ne sont que des mésons. Ils sont beaucoup plus grands: leur longueur est comparable au diamètre du proton. Pour les humains, c'est une petite taille, mais comparée aux cordes de la "théorie de tout" - gigantesque.
Pourquoi les gens pensaient-ils que les mésons sont des chaînes? Parce qu'il y a eu
des confirmations expérimentales à cela ! Et ces preuves n'ont pas disparu après la découverte des quarks. Au lieu de cela, les physiciens théoriciens ont progressivement mieux compris pourquoi les quarks et les gluons sont capables de produire des mésons qui se comportent comme des cordes. Si vous détordez rapidement un méson (et cela peut arriver par hasard dans une expérience), son quark de valence et son antiquark peuvent se séparer, et une mer d'objets entre eux forme un «tube d'écoulement» (voir Fig. 3). (Dans certains supraconducteurs, des
tubes de flux similaires peuvent capter des champs magnétiques.) Cela ressemble plus à une chaîne épaisse qu'à une chaîne mince, mais elle a toujours des propriétés communes avec la chaîne, nous pouvons donc obtenir des résultats expérimentaux similaires aux prédictions de la théorie des cordes.
Fig. 3Par conséquent, depuis le milieu des années 1970, les gens sont convaincus que la théorie des champs quantiques, telle que celle qui décrit les quarks et les gluons, peut donner naissance à des objets qui se comportent comme des chaînes. De nombreux physiciens - y compris les plus célèbres et les plus respectés - ont fait des déclarations encore plus audacieuses: que la théorie quantique des champs et la théorie des cordes sont profondément interconnectées à un niveau fondamental. Mais ils ne pouvaient pas indiquer exactement comment; ils avaient des preuves claires, mais ils n'étaient pas complètement clairs et convaincants.
En particulier, il y avait un important mystère non résolu. Si les mésons sont des cordes, que sont donc les baryons? Que sont les protons et les neutrons, avec leurs trois quarks de valence? À quoi ressembleront-ils s'ils sont rapidement promus? Les gens ont peint des images un peu comme du riz. 3. Le baryon peut se transformer en trois tubes d'écoulement connectés (et l'un, peut-être, sera beaucoup plus long que les deux autres), chacun ayant son propre quark de valence à la fin. Un tel baryon serait composé de trois cordes, dont chacune a une extrémité libre, ayant une jonction commune. Ce composé a été appelé "sommet du baryon" [sommet du baryon]. Si les mésons sont de petites chaînes, des objets fondamentaux dans la théorie des cordes, alors qu'est-ce qu'un sommet baryonique en termes de théorie des cordes? Où se cache-t-elle dans les mathématiques de la théorie des cordes et en quoi consiste-t-elle?
Fig. 4(Remarque: le sommet n'est lié en aucune façon aux quarks. C'est une propriété de la mer - en particulier, les gluons. Par conséquent, dans un monde où il n'y a qu'un seul gluons - dans un monde dont les cordes forment des boucles sans terminaisons - il devrait être possible, en appliquant suffisamment d'énergie, de créer une paire de sommets / anti-vertex. Par conséquent, la théorie des champs prévoit que ces sommets devraient exister dans les théories à chaîne fermée, bien qu'ils devraient être linéairement bornés.)
Personne ne le savait. Mais n'est-il pas intéressant de noter que la caractéristique la plus distinctive de ce pic était qu'il s'agissait de l'endroit auquel la fin de la chaîne était attachée?
De 1997 à 2000, tout a changé. En suivant les idées proposées par de nombreux autres physiciens et en utilisant la D-brane comme outil principal,
Juan Maldacena a finalement établi cette connexion exacte entre la théorie des champs quantiques et la théorie des cordes. Il a pu connecter les cordes avec la gravité et
des dimensions supplémentaires , qui peuvent être lues dans les livres de Brown Green, avec la physique des particules en seulement trois dimensions spatiales, similaires au monde réel et en présence de forces non gravitationnelles. Il est vite devenu clair que les idées les plus ambitieuses et les plus radicales des années 70 étaient correctes: que presque toute théorie quantique des champs, avec ses particules et ses interactions, peut être considérée comme une théorie des cordes. C'est un peu comme comment une même image peut être décrite en anglais ou en japonais: champs / particules et cordes / gravité dans ce contexte sont deux langues très différentes qui parlent de la même chose.
La saga du pic baryonique a pris un nouveau chemin en mai 1998, quand Ed Whitten a
montré comment un pic similaire apparaît dans les exemples de Maldasena. Il n'est pas surprenant que ce pic soit une D-brane - en particulier, une D-particule, un objet sur lequel les cordes peuvent se terminer, s'étendant à partir de quarks se déplaçant librement. Ce résultat n'a pas été entièrement satisfaisant, car les gluons et les quarks des exemples de Maldasena se déplacent librement sans former de mésons ou de baryons. Par conséquent, le sommet du baryon n'est pas un objet physique; si c'est fait, il se dissout rapidement en rien. Cependant, à partir du travail de Whitten, il est devenu évident ce qui se passait. Dans la mesure où les vrais mésons peuvent être considérés comme des chaînes, les vrais protons et neutrons peuvent être considérés comme des chaînes connectées à une D-brane.
Les exemples plus réalistes trouvés par les théoriciens n'ont pas eu à attendre longtemps. Je ne me souviens pas qui était le premier, mais je sais que l'un des premiers exemples est apparu dans notre travail avec Joe en 2000.
Travailler avec Joe
Ce projet est apparu lors de ma visite en septembre 1999 au KITP (Cavley Institute of Theoretical Physics) à Santa Barbara, où Joe a travaillé. Peu de temps auparavant, il s'est avéré que j'étudiais la théorie des champs appelée N = 1 *, qui n'était que légèrement différente des exemples de Maldasena, dans lesquels des objets semblables à des mésons pouvaient se former. L'un des premiers rapports que j'ai entendu quand je suis arrivé au KITP était Rob Myers lors de sa découverte de l'étrange propriété D-brane. Au cours de la conférence, le lien entre l'observation de Myers et l'une des propriétés de la théorie N = 1 * m'est venu à l'esprit et j'ai vécu le moment de l'illumination, pour lequel vivent les physiciens. J'ai soudain réalisé à quoi devrait ressembler la théorie des cordes, décrivant la théorie des champs N = 1 *.
Mais je n'ai pas aimé cette réponse. Il est devenu évident que des calculs détaillés seraient extrêmement difficiles et nécessiteraient l'utilisation d'aspects de la théorie des cordes que je ne connaissais presque pas (branes incurvées non holomorphes dans la géométrie incurvée de dimensions supérieures). Tout ce que je pouvais espérer en travaillant seul était d'écrire une œuvre conceptuelle avec un tas d'images et avec une prédominance d'hypothèses sur des faits prouvables.
Mais j'étais au KITP. Joe et moi avions une bonne compréhension depuis un certain temps, et je savais que les mêmes questions nous semblaient intéressantes. Et Joe était un maître des branes; il savait tout sur les D-branes. J'ai donc décidé que la meilleure solution pour moi serait de convaincre Joe de se joindre au travail. J'ai commencé à mendier avec persévérance et, heureusement, cela a fonctionné.
Je suis retourné sur la côte est et Joe et moi nous sommes mis au travail. Une fois par semaine ou deux, Joe m'a envoyé des notes de recherche avec des calculs préliminaires sur la théorie des cordes. Leur niveau de complexité technique était si élevé, et il y avait si peu de moments d'entraînement en eux que je me sentais comme un enfant; Je pouvais à peine comprendre ce qui se passait. Nous avons progressé lentement. Joe a effectué d'importants calculs préliminaires, mais il m'a été très difficile de les suivre. Et si les calculs préliminaires pour la théorie des cordes étaient si compliqués, pourrions-nous espérer résoudre tout le problème? Même Joe était un peu inquiet.
Une fois que j'ai reçu un message plein de gloussements victorieux - quelque chose comme «nous les avons faits!», Une humeur que toute personne familière avec Joe pouvait reconnaître. À l'aide d'une astuce formidable, il a compris comment utiliser ses calculs préliminaires pour faciliter la tâche complète! Au lieu de mois de dur labeur, il s'est avéré que nous avions presque fini.
Et à partir de ce moment, le travail est devenu très intéressant! Presque chaque semaine a évolué comme ça. J'ai réfléchi au phénomène que je connais de la théorie des champs quantiques, qui devrait être décrit du point de vue de la théorie des cordes - comme le sommet du baryon. J'en savais assez sur les D-branes pour développer une preuve heuristique de ce à quoi cela devrait ressembler. J'ai appelé Joe, je lui en ai parlé et je lui ai peut-être envoyé des ébauches. Quelques jours plus tard, un ensemble de notes contenant des calculs complets confirmant ce phénomène est venu par e-mail. Chaque calcul était unique, précieux, y compris une étude caractéristique des D-branes exotiques situées dans un espace incurvé. C'était à couper le souffle d'observer la vitesse avec laquelle Joe travaillait, l'ampleur et la profondeur de son talent mathématique, sa compréhension incomparable de ces branes.
Au cours des années de notre collaboration, lorsque nous avons voulu approfondir les équations, cela a toujours été quelque chose comme ça; Joe m'a inévitablement laissé loin derrière, secouant la tête avec étonnement. C'est mon défaut - pour un physicien, je fais un calcul assez moyen. Mais Joe était incroyablement bon dans ce domaine.
Heureusement pour moi, il était possible de prendre plaisir à travailler ensemble, car je pouvais presque toujours maintenir le rythme de Joe dans le domaine des problèmes conceptuels, et parfois le dépasser. Parmi mes mémoires préférées en tant que scientifique, il y a des moments où j'ai enseigné à Joe quelque chose qu'il ne savait pas; il se tut pendant quelques secondes, acquiesça rapidement et, comprenant le problème, fit un regard attentif, plissant les yeux et ouvrant la bouche. «Ouais, ouais», avait-il l'habitude.
Une autre facette de Joe s'est ouverte lors de notre deuxième travail scientifique. Nous nous sommes tenus dans le hall du KITP, discutant d'un nouveau sujet, et avant même de décider sur quel type de problème nous allions travailler, Joe a soudain deviné la réponse!
Et je ne pouvais pas lui faire expliquer quel problème il avait résolu, sans parler de trouver une solution en quelques jours! C'était déroutant.C'était une autre capacité classique de Joe. Parfois, il savait qu'il avait trouvé un indice (et se révélait presque toujours exact), mais il ne pouvait rien dire de précis à ce sujet avant d'avoir réfléchi pendant quelques jours et transformé ses idées en équations. Au cours de notre travail conjoint, cela s'est produit plusieurs fois. (Je ne lui ai jamais dit «Utilisez les mots, Joe», mais apparemment c'était nécessaire). Son esprit fonctionnait d'une manière ou d'une autre dans des domaines non soumis au langage, et comme aucun de nous, étant en dehors de son cerveau, ne comprendrait. Il y avait quelque chose de l'oracle en lui.Regardant l'horizon
Après 2006, nos intérêts ont progressivement divergé; Je me suis concentré sur le Large Hadron Collider (également connu sous le nom de Large D-brane Collider), et Joe, après plusieurs études, a décidé d'aborder les horizons du trou noir et le paradoxe de l' information . Mais j'ai apprécié son travail à distance, surtout quand en 2012, Joe et trois collègues (Ahmed Almeyri, Don Marolf et James Sally) ont fait exploser l'idée de la complémentarité des trous noirs, que beaucoup espéraient résoudre le paradoxe de l'information. Les vestiges de cette idée continuent de fumer et le paradoxe est toujours là.Puis Joe est tombé malade et nous avons commencé à le perdre - très jeune. Un de ses derniers cadeaux à nous a été ses mémoires, dont chacun de nous a appris quelque chose sur lui que nous ne connaissions pas auparavant. Enfin, il a traversé l'horizon, à cause duquel ils ne sont pas revenus. S'il n'y a pas de pare-feu, il l'a finalement découvert.Pouvons-nous réfléchir à ce qui arrivera à l'héritage scientifique de Joe dans quelques décennies? Il est difficile de prévoir comment le travail du théoricien sera évalué dans cent ans; Parfois, des changements se produisent dans une direction inattendue, et ce qui semble maintenant sans importance peut devenir la chose principale à l'avenir - comme ce fut le cas avec les D-branes pendant les années 1990. Pour ceux qui travaillent avec eux aujourd'hui, les D-branes en théorie des cordes sont clairement la découverte la plus importante de Joe - bien que sa contribution à notre compréhension des trous noirs, des cordes cosmiques et des aspects de la théorie des champs ne sera pas oubliée de sitôt, ou peut-être jamais. Mais qui sait? D'ici 2100, la théorie des cordes pourrait s'avérer être soit une théorie de la gravité généralement acceptée, soit un outil peu connu pour étudier les champs quantiques.Mais même si ce dernier se produit, je soupçonne toujours que Joe restera dans les mémoires pour les D-branes. Parce que - comme j'ai essayé de le prouver - elles sont réelles. Vraiment réel. Dans chaque proton, dans chaque neutron, il y en a un. Nos corps les contiennent des milliards de milliards de milliards. Pour cette idée, pour cette contribution élémentaire à la connaissance humaine, nos descendants devraient blâmer Joseph Polchinski.
Merci pour tout, Joe. Nous nous manquerons terriblement. Vous nous avez si souvent enseigné de nouvelles façons de regarder le monde et même nous-mêmes.