Une nouvelle hypothèse physique défie la principale «théorie de tout»
Le 25 juin, le physicien Timm Wrase, qui vit à Vienne, s'est réveillé et a feuilleté d'une manière somnolente une liste d'œuvres physiques récemment publiées en ligne. Un titre l'a frappé de sorte qu'il a jeté tous les restes de sommeil.
Le travail de
Harran Harvard, un spécialiste exceptionnel de la théorie des cordes, réalisé en collaboration avec ses collègues, a émis l'hypothèse qu'il existe une formule simple qui détermine quels univers peuvent exister et lesquels ne peuvent pas, conformément à la théorie des cordes. La théorie des cordes, le principal candidat à la «
théorie de tout »
, associant la gravité et la physique quantique, définit toute la matière et les interactions sous la forme de vibrations de minuscules fils d'énergie. La théorie permet environ
10 500 solutions: un "paysage" immense et varié d'univers possibles. Des experts en théorie des cordes tels que Vraze et Wafa tentent depuis des années de placer notre univers quelque part dans ce paysage de possibilités.
Mais alors que Wafa et ses collègues ont suggéré que, dans le paysage de la théorie des cordes, des univers comme le nôtre - ou plutôt, la façon dont nous l'imaginions - ne pouvaient pas exister. Si la théorie est correcte, comme Vraze et d'autres physiciens l'ont immédiatement compris, alors soit notre Univers est complètement différent de ce qu'il devrait être, soit la théorie des cordes est incorrecte.
Après avoir emmené la progéniture à la maternelle, Vraze est allé travailler à l'Institut de technologie de Vienne, où ses collègues ont discuté vigoureusement du même travail. Le même jour, Wafa, alors qu'il était à Okinawa au Japon, a
présenté cette théorie lors de la conférence Strings 2018, qui a été suivie par des physiciens du monde entier. Les différends se sont déroulés lors de la conférence et ailleurs. «Beaucoup ont immédiatement dit:« C'est probablement une erreur », ont dit d'autres:« Oui, depuis combien d'années je dis cela », il y a eu d'autres réactions intermédiaires», dit Vraze. Il ajoute qu'il y avait de la confusion, mais «et, bien sûr, un grand intérêt. Parce que, si cette hypothèse est vraie, elle aura de nombreuses conséquences énormes pour la cosmologie. "
Les chercheurs se sont assis au travail, essayant de tester l'hypothèse et d'étudier ses conséquences. Vraze a déjà écrit deux ouvrages, dont l'
un peut conduire à affiner l'hypothèse, et il l'a fait, principalement en vacances avec sa famille. Il se souvient de ce qu'il pensait: "C'est tellement intéressant, j'ai besoin de travailler et de l'étudier plus en profondeur."
La formule proposée, qui est apparue dans les
travaux du 25 juin de Vafa, Georges Obied, Hiroshi Ooguri et Lev Spodyneiko, puis étudiée plus en profondeur dans un
ouvrage ultérieur
publié deux jours plus tard , par Vafa, Obied, Prateek Agraval et Pla Steinhardt, en fait, suggère qu'avec l'expansion de l'univers, la densité d'énergie du vide de l'espace vide devrait diminuer plus rapidement qu'une certaine valeur. La règle devrait fonctionner dans tous les modèles d'univers simples basés sur la théorie des cordes. Mais il contredit deux opinions populaires sur l'univers réel: il rend impossible à la fois l'idée généralement acceptée de son expansion actuelle et le modèle phare de sa naissance explosive.
* * *
Depuis 1998, il a été observé à partir de télescopes que l'espace s'étend de plus en plus vite, ce qui signifie que le vide de l'espace vide devrait être alimenté par une dose d '"énergie sombre" répulsive par gravité. De plus, il semble que la quantité d'énergie sombre déversée dans l'espace vide reste constante (pour autant que l'on puisse en juger).
Mais une nouvelle hypothèse stipule que l'énergie de vide de l'univers devrait diminuer.
Wafa et ses collègues soutiennent que les univers avec une énergie de vide stable et positive, connus sous le nom d'
univers de Sitter , ne peuvent pas exister. Depuis la découverte de l'énergie sombre en 1998, les experts en théorie des cordes ont eu du mal à construire un modèle de cordes convaincant des univers de Sitter. Mais si Wafa a raison, de telles tentatives sont vouées à rester coincées dans des incohérences logiques; Les univers de Sitter ne sont pas dans ce paysage, mais dans des «marécages». "J'appelle des choses qui semblent cohérentes, mais qui ont des contradictions, des marécages", a-t-il expliqué récemment. «Ils sont très similaires au paysage, ils peuvent vous tromper. Il vous semble que vous pourrez les construire, mais en réalité ce n'est pas le cas. »
Selon cette «hypothèse du marais de Sitter», dans tous les univers logiques possibles, l'énergie du vide devrait soit tomber comme une balle qui roule en descente, soit atteindre une valeur négative stable. (Les univers dits anti-de Sitter, avec des valeurs stables et négatives de l'énergie du vide, sont faciles à construire en théorie des cordes).
Si cette hypothèse est vraie, cela signifie que la densité de l'énergie sombre dans notre Univers ne peut pas être constante et doit prendre la forme de ce qu'on appelle. "
quintessences " - une source d'énergie, diminuant progressivement sur des dizaines de milliards d'années. Maintenant, il est prévu de lancer plusieurs expériences dans lesquelles, à l'aide de télescopes, il sera mieux établi si l'Univers se développe à une vitesse constante ou accéléré - c'est-à-dire, si une quantité proportionnelle de nouvelle énergie sombre apparaît avec un nouvel espace, ou si l'accélération cosmique change progressivement en fonction des modèles de quintessence . La découverte de la quintessence allait révolutionner la physique fondamentale et la cosmologie, et réécrire le passé et l'avenir de l'espace. Un univers quintessentiel ne serait pas déchiré par le
Big Gap , mais ralentirait progressivement et, selon la plupart des modèles, finirait par s'étendre et se contracter en
Big Compression ou
Big Bounce .
Steinhardt, un cosmologiste de Princeton et l'un des co-auteurs de Wafa, dit qu'au cours des prochaines années, «tous les yeux seront rivés» sur les résultats d'expériences telles que
l'observation de l'énergie sombre , un
télescope infrarouge à large spectre et
le télescope euclidien , à partir duquel il sera clair si densité d'énergie sombre. "S'il devient clair que l'image est contraire à la quintessence", dit Steinhardt, "cela signifie que soit l'idée avec le marais est fausse, soit la théorie des cordes est fausse, soit les deux sont fausses - en général, quelque chose devrait être faux."
La nouvelle hypothèse du marais exprime des doutes non moins aigus sur l'histoire généralement acceptée de la naissance de l'Univers: la théorie du Big Bang et l'inflation cosmique. Selon cette théorie, une minuscule particule d'espace-temps, contenant une énorme quantité d'énergie, s'est rapidement gonflée et a formé un univers macroscopique dans lequel nous vivons. Cette théorie, entre autres, a été inventée pour expliquer comment exactement l'Univers est devenu si énorme, lisse et plat.
Mais le champ hypothétique d'inflation de l'énergie qui était censé alimenter l'inflation cosmique n'est pas compatible avec la formule de Wafa. Pour satisfaire cette formule, l'énergie du champ d'inflation a dû être épuisée très rapidement afin d'obtenir un univers lisse et plat, comme lui et ses collègues l'ont expliqué. Par conséquent, leur hypothèse contredit de nombreux modèles populaires d'inflation cosmique. Dans les années à venir, des télescopes tels que l'
observatoire Simons chercheront les signes ultimes d'inflation spatiale en comparant cette théorie à celles concurrentes.
À cette époque, les experts de la théorie des cordes, s'exprimant généralement sur un front uni, n'étaient pas d'accord sur l'hypothèse. Eva Silverstein, professeur de physique à l'Université de Stanford, chef de projet dans la création de modèles d'inflation à cordes, estime qu'il est très probable que cette théorie se révélera erronée. Son mari aussi, le professeur de Stanford Shamit Kachra; il s'agit de la première lettre K de KKLT, le célèbre ouvrage de 2003, connu des initiales de ses auteurs, dans laquelle ils proposaient un ensemble d'ingrédients de cordes pouvant être utilisés pour créer des univers de Sitter. La formule de Wafa dit que les conceptions de Silverstein et Kachra ne fonctionneront pas. «Ces hypothèses ont assiégé notre famille», plaisante Silverstein. Mais de son point de vue, les modèles d'expansion accélérée n'ont rien perdu après la publication de nouvelles œuvres. «Ils soutiennent essentiellement que ces choses n'existent pas, citant les résultats analytiques très limités et dans certains cas douteux», dit-elle.
Matthew Kleban, spécialiste de la théorie des cordes et cosmologiste à l'Université de New York, travaille également sur des modèles d'inflation des cordes. Il souligne que la nouvelle théorie du marais est très spéculative et est un exemple classique du comportement d'un ivrogne qui cherchait des clés sous une lanterne, car il y était plus léger, car la plupart du paysage de la théorie des cordes n'a pas encore été étudié. Mais il admet que sur la base des preuves existantes, l'hypothèse peut s'avérer vraie. "Cela peut s'avérer vrai à propos de la théorie des cordes, puis il s'avère que la théorie des cordes ne décrit pas le monde", dit Kleban. Et, peut-être, «l'énergie sombre l'a réfuté. Et ce sera évidemment très intéressant. »
La théorie des marais et les futures expériences de Sitter pourront-elles réfuter la théorie des cordes, nous l'apprendrons plus tard. Une découverte faite dans les années 2000 selon laquelle la théorie des cordes a environ
10 500 solutions a tué l'espoir qu'elle pourrait prédire de manière unique et inévitable l'avenir de notre univers. La théorie semble pouvoir soutenir presque toutes les observations, ce qui rend très difficile la vérification ou la réfutation expérimentale.
En 2005, Wafa et tout un réseau de co-auteurs ont commencé à réfléchir sur la manière de réduire ce nombre de possibilités, en soulignant les propriétés fondamentales de la nature, qui de toute façon devraient être vraies. Par exemple, leur
théorie de la faible gravité suggère que la gravité devrait être la plus faible des interactions dans tout univers logique. Les univers théoriques qui ne répondent pas à ces exigences sont rejetés du paysage dans le marais. Beaucoup de ces hypothèses marécageuses ont bien résisté aux arguments qui les ont attaquées, et certaines "sont désormais sur une base très solide", a déclaré Hiroshi Ooguri, physicien théoricien au California Institute of Technology, l'un des premiers collègues de Wafa sur l'hypothèse des marais. Par exemple, la théorie de la faible gravité a gagné tellement de preuves que l'on pense qu'elle est généralement vraie, indépendamment du fait que la théorie des cordes se révèle être une théorie appropriée de la gravité.
L'intuition sur la fin du paysage et le début du marais est due à des décennies d'efforts pour construire des modèles de chaînes d'univers. Le principal obstacle à ce projet est que la théorie des cordes prédit l'existence de 10 dimensions de l'espace-temps, ce qui est beaucoup plus grand que les quatre visibles. Les experts de la théorie des cordes suggèrent que six dimensions supplémentaires devraient être petites - étroitement pliées à chaque point. Le paysage est rempli de toutes les façons possibles de configurer ces dimensions supplémentaires. Mais bien qu'il y ait beaucoup de possibilités, les chercheurs, par exemple, Wafa, ont découvert l'apparition de principes généralisés. Par exemple, les mesures tordues ont tendance à se contracter gravitationnellement, et les champs tels que l'électromagnétique ont tendance à tout séparer. Dans des configurations simples et stables, ces effets sont équilibrés par l'énergie négative du vide, ce qui conduit à l'émergence d'univers anti-de Sitter. Transformer l'énergie du vide en énergie positive est très difficile. «Habituellement, en physique, il existe des exemples simples de phénomènes généraux», a déclaré Wafa. "Mais cela ne s'applique pas au modèle de Sitter."
KKLT, rédigé par Kachra, Renata Kallosh, Andrei Linde et Sandeep Trivedi, propose des pièges à cordes tels que les flux, les instantons et les anti-d-branes, qui peuvent en théorie devenir des outils pour ajuster l'énergie du vide positive et constante. Cependant, ces conceptions sont complexes et, au fil des ans, des instabilités possibles y ont été trouvées. Bien que Kachru affirme qu'il n'a pas de «doutes sérieux», de nombreux chercheurs ont commencé à soupçonner que le script KKLT ne produit toujours pas d'univers de Sitter stables.
Wafa pense qu'il était temps de mener une recherche concertée d'un modèle d'un univers de Sitter particulièrement stable. Son hypothèse doit tout d'abord souligner l'importance de ce problème. De son point de vue, les experts en théorie des cordes ne se sentent pas suffisamment motivés pour déterminer si la théorie des cordes est capable de décrire notre monde, au lieu d'occuper le point de vue selon lequel, puisque le paysage des cordes est immense, il y a de la place pour nous, cependant personne ne sait où exactement. «La plupart des membres de la communauté de la théorie des cordes sont toujours du côté de l'existence des constructions de Sitter», dit-il, «car tout le monde croit: Regardez, nous vivons dans un univers de Sitter avec une énergie positive; il vaut donc mieux chercher des exemples de ce type. »
Son hypothèse a incité la communauté à agir, et des chercheurs tels que Vraze ont commencé à chercher des contre-exemples d'univers de Sitter stables, tandis que d'autres ont joué avec des modèles de cordes peu explorés d'univers par excellence. "Dans tous les cas, je serais intéressé de savoir si l'hypothèse est vraie ou non", a déclaré Wafa. - La question est de savoir quoi faire. Et nous ne pouvons progresser que si nous trouvons des preuves en faveur ou contre la théorie. »
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