Les secrets de certains des plus grands mystères de l’univers, croit Sera Cremonini, pourraient bien se trouver dans le comportement de ses plus petits constituants.
Pensez au début de l’univers. En une fraction de seconde après le Big Bang, il y a 14 milliards d’années, une immense quantité de matière étroitement confinée a explosé en une mer super chaude de particules subatomiques.
Et pensez aux trous noirs qui se forment lorsque des étoiles massives s’effondrent. Ils compriment la matière de façon si dense que rien de ce qui entre dans leur domaine ne s’échappe jamais, pas même la lumière.
Comment les premières particules de l’univers ont-elles interagi ? Comment ont-elles formé des quarks, et comment se sont-ils combinés pour former les premiers protons et neutrons ? Et quelles lois régissent la « singularité gravitationnelle » d’un trou noir, une déchirure dans le tissu de l’espace-temps, où la densité et la gravité deviennent infinies ?
Cremonini, professeur adjoint de physique, sonde ces questions à travers l’objectif de la théorie des cordes, qui propose que chaque particule de l’univers soit constituée de minuscules cordes d’énergie vibrantes. Mesurant à peine 10-34 mètres, la taille d’une corde se compare à celle d’un quark comme celle d’un atome à celle de la Terre.
Les cordes sont des objets unidimensionnels, qui possèdent une longueur mais pas de largeur. Elles peuvent être ouvertes, former une boucle fermée, ou s’attacher à des membranes, ou des branes, qui peuvent être minuscules ou remplir l’univers entier. Comme les cordes d’une guitare accordées pour produire différentes fréquences, les vibrations des cordes peuvent être associées aux différentes particules que nous connaissons. L’une d’entre elles correspond au graviton, la particule qui serait porteuse de la force gravitationnelle. La façon dont les cordes et les membranes s’agencent et interagissent entre elles donne naissance aux propriétés des particules subatomiques que nous observons.
« L’idée derrière la théorie des cordes est simple », explique Cremonini. « Regardez profondément à l’intérieur de n’importe quelle particule et vous verrez cette minuscule corde vibrante. C’est l’unité fondamentale que nous avons cherchée, l’entité fondamentale qui compose tout. »
La théorie des cordes, dit Cremonini, est le meilleur cadre encore conçu pour jeter un pont entre les deux théories incompatibles qui décrivent le fonctionnement de l’univers. La théorie générale de la relativité d’Albert Einstein enseigne que la gravité est la courbure de l’espace et du temps ; elle est déterministe et décrit les phénomènes à grande échelle. La mécanique quantique est probabiliste ; elle régit le comportement des particules atomiques et subatomiques.
« La théorie de la relativité générale d’Einstein est une belle théorie, bien testée, qui nous dit comment les objets massifs déforment le tissu de l’espace-temps », dit Cremonini. « Grâce à elle, nous disposons de systèmes GPS, nous comprenons les orbites des planètes et la courbure de la lumière autour des galaxies. L’année dernière, l’expérience LIGO a détecté pour la première fois des ondes gravitationnelles, prédites par Einstein 100 ans auparavant. Ce sont des ondulations dans l’espace-temps lui-même, causées par la collision entre deux trous noirs, une confirmation spectaculaire de la relativité générale.
« Mais la relativité générale ne fonctionne bien qu’à de grandes distances ou à de grandes échelles – avec une planète, une pomme ou un avion. La théorie ne parvient pas à décrire la gravité partout dans l’univers. Elle s’effondre quand on passe à des distances très, très courtes, où les effets de la mécanique quantique ne peuvent être ignorés.
« La relativité générale et la mécanique quantique expliquent bien leurs régimes respectifs, mais nous avons besoin d’une théorie, une théorie de la gravité quantique, qui les unifie toutes les deux, afin de décrire des situations dans lesquelles les effets gravitationnels et quantiques sont d’égale importance. La théorie des cordes est actuellement le cadre le plus prometteur et le plus cohérent dont nous disposons pour faire la lumière sur la nature quantique de la gravité. C’est un ensemble d’outils que nous pouvons utiliser pour répondre à des questions sur le début de l’univers, le comportement et les propriétés des trous noirs, et le tissu de l’espace-temps. Toutes ces idées vont de pair. »
Cremonini a récemment reçu une bourse de trois ans de la National Science Foundation pour étudier la microstructure de l’espace-temps, le continuum quadridimensionnel dans lequel les trois dimensions physiques sont tissées avec le temps. En utilisant une technique appelée holographie, elle espère faire la lumière sur des phénomènes allant des suites immédiates du Big Bang à la structure et aux propriétés des trous noirs en passant par le comportement de matériaux non conventionnels comme les supraconducteurs à haute température.
La vache sphérique
Cremonini commence une grande partie de ses recherches avec un crayon et une feuille de papier, écrivant des équations différentielles pas beaucoup plus compliquées que celles que les étudiants apprennent à résoudre en calcul universitaire. Ces équations sont celles de la relativité générale avec la théorie quantique des champs et la théorie des cordes.
« Beaucoup de ces calculs nécessitent une intuition physique », dit-elle. « Certains d’entre eux peuvent être faits à la main. Une fois que j’ai configuré un problème de la bonne manière, alors j’utilise l’ordinateur pour m’aider.
Comme la plupart des physiciens, Cremonini fait de nombreuses approximations et hypothèses sur le monde réel. C’est particulièrement important pour la théorie des cordes, car les scientifiques n’ont pas encore mis au point d’outils permettant de produire ou d’observer des cordes.
« Il y a une blague en physique sur une vache sphérique », dit-elle. « La plupart des problèmes sur lesquels travaillent les physiciens nous obligent à faire des approximations du monde réel, comme prendre une vache et la rendre sphérique parce qu’une sphère est beaucoup plus facile à modéliser qu’une vraie vache.
« Nous n’avons pas les outils mathématiques pour résoudre certains problèmes, nous sommes donc obligés de faire des simplifications et des approximations qui les réduisent à quelque chose que nous pouvons aborder. Nous devons relier un problème que nous ne savons pas comment résoudre à quelque chose que nous savons être soluble sans perdre ses propriétés physiques essentielles. »
Le dictionnaire gravité-quantique
Une dualité dans la théorie des cordes, dit Cremonini, donne un aperçu de la façon dont la gravité se rapporte au monde de la mécanique quantique. Certains aspects de l’espace-temps gravitationnel, dit-elle, ont des descriptions alternatives dans le monde quantique.
« Dans la théorie des cordes, nous apprenons que certaines théories de la gravité qui vivent dans un nombre spécifique de dimensions ont des descriptions correspondantes et complètement équivalentes dans les théories quantiques qui vivent dans une dimension de moins. En raison de cette différence dans le nombre de dimensions, nous appelons cela holographie, car cela rappelle un hologramme, qui est une projection d’un objet en 3D sur deux dimensions. »
Comme un dictionnaire français-allemand ou japonais-anglais, dit Cremonini, une théorie gravitationnelle et sa théorie quantique correspondante contiennent la même quantité d’informations mais sont écrites avec des mots et des conventions différents. Selon M. Cremonini, l’holographie offre un « riche réseau » de connexions qui permet de faire le lien entre la gravité et le monde quantique, et de réfléchir de manière entièrement nouvelle à certains de leurs aspects les plus difficiles. Il s’avère qu’un problème difficile à résoudre dans un domaine peut être traduit dans l’autre – généralement le domaine gravitationnel – où il peut être plus facilement résolu.
Évaluer l’asymétrie de la réalité
L’objectif des recherches actuelles de Cremonini est d’élargir la portée des problèmes auxquels les techniques holographiques peuvent être efficacement appliquées.
« Les techniques holographiques ont été initialement développées pour des systèmes simples qui se comportent bien, ont beaucoup de symétrie et ne sont pas trop réalistes », dit-elle. « Nous avons découvert que ces techniques sont beaucoup plus larges et assez puissantes. Je me demande dans quelle mesure nous pouvons étendre et généraliser ces idées à des systèmes plus complexes avec moins de symétrie, qui sont plus proches de notre univers, et donc plus réalistes.
« Les physiciens aiment penser aux choses en termes de symétries. La plupart de nos progrès, en particulier en physique des particules, ont reposé sur la compréhension de systèmes hautement symétriques ; ils sont tout simplement plus faciles à comprendre. Mais dans la vie réelle, la nature dispose de nombreux mécanismes pour briser les symétries, et les processus sont dynamiques et beaucoup plus compliqués. »
Les problèmes qui posent le plus grand défi aux physiciens, dit Cremonini, impliquent généralement des systèmes dont les constituants – les électrons, par exemple – interagissent fortement entre eux. Dans ces cas, il est notoirement difficile de modéliser le comportement des systèmes à différentes températures, ou la façon dont ils subissent des transitions de phase d’un état à l’autre.
L’une des transitions de phase que Cremonini a étudiées se produit dans un système quantique appelé plasma quark-gluon. Selon la théorie de la chromodynamique quantique (QCD), les protons et les neutrons qui composent le noyau d’un atome sont eux-mêmes constitués de trois petits quarks étroitement liés entre eux par des particules appelées gluons. À des énergies suffisamment élevées, dans un phénomène qui fait écho à l’état de l’univers primitif, quarks et gluons se séparent physiquement et flottent librement dans une soupe chaude, ou plasma. La transition de phase qui détache les quarks est connue sous le nom de déconfinement de la CDQ et fait l’objet d’expériences au collisionneur d’ions lourds relativistes du Brookhaven National Laboratory et au grand collisionneur de hadrons du CERN, l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire, en Suisse.
« En raison des fortes interactions entre les quarks et les gluons, dit Cremonini, ce système est très difficile à étudier. Mais il peut être mis en correspondance avec un système gravitationnel approprié, où certaines de ses propriétés sont beaucoup plus faciles à sonder. »
Quand l’énergie gouverne le comportement
Dans son projet NSF, Cremonini cherche à utiliser des techniques holographiques pour étudier les phases quantiques de la matière dont le comportement est mal compris, précisément à cause de ces fortes interactions. Un exemple est celui des supraconducteurs à haute température, qui atteignent la supraconductivité à des températures aussi élevées que -70 degrés Celsius, par rapport au seuil de -240 degrés pour les matériaux supraconducteurs métalliques ordinaires.
Parce qu’ils ont des constituants en forte interaction, dit Cemonini, les supraconducteurs à haute température sont beaucoup plus difficiles à modéliser que les supraconducteurs ordinaires.
« Les supraconducteurs à haute température sont des matériaux très intéressants, mais on ne comprend pas profondément pourquoi ils sont supraconducteurs », dit-elle. « Le comportement des constituants de ces matériaux est très étrange. Leurs électrons sont tellement enchevêtrés et interagissent si fortement que nous ne pouvons pas vraiment comprendre leur comportement à l’aide des techniques que nous utiliserions normalement pour les supraconducteurs ordinaires ou les métaux conventionnels. Les techniques holographiques nous permettent d’écrire des calculs réalisables qui rendent possible la modélisation de ces systèmes et de leurs propriétés inhabituelles. »
Le comportement de nombreux systèmes peut être comparé à celui d’enfants sous l’emprise du sucre. Lorsque l’énergie est retirée d’un système, explique M. Cremonini, le système se détend jusqu’à son état d’énergie nulle ou état fondamental. Lorsque l’on ajoute de l’énergie, souvent par l’application de chaleur, le système devient excité et présente un comportement riche.
« En physique, il est important de comprendre comment les systèmes se comportent lorsqu’on leur retire de l’énergie et dans quel état ils se relaxent. Le comportement est une fonction de l’énergie.
« Pensez à ce qui se passe lorsque l’eau bout. Une bulle se forme – une instabilité dans le système – et commence à grossir. Puis d’autres bulles se forment et grossissent pour former une masse fumante. C’est ainsi que nous concevons les transitions de phase : elles existent parce qu’une instabilité se forme et se développe. Dans mes travaux, j’explore une variété de phases quantiques et les types d’instabilités qui peuvent en résulter ».
Dans son projet NSF, Mme Cremonini étudie également comment la gravité émerge de constituants microscopiques de la mécanique quantique. Elle espère que ses réponses permettront d’éclairer la structure de l’espace-temps, le début et l’évolution précoce de l’univers, ainsi que la physique des trous noirs.
« La théorie des cordes nous a permis de mieux comprendre la relation entre la relativité générale et la mécanique quantique, surtout au cours des 20 dernières années. Elle nous a permis d’en savoir plus sur la structure fondamentale des trous noirs. Nous savons que les trous noirs ont une température, ce qui signifie qu’une entropie leur est associée. Mais l’entropie n’est pas seulement une mesure du désordre. Elle nous indique également que le trou noir doit être constitué d’un ensemble de fragments microscopiques. L’une des grandes réussites de la théorie des cordes est qu’elle nous a permis de calculer les fragments microscopiques qui composent certains trous noirs et de reproduire leur entropie de manière très précise. C’est remarquable, et c’est un must pour toute théorie de la gravité quantique.
« Il existe peut-être une autre théorie qui peut décrire tous ces phénomènes. C’est possible, mais jusqu’à présent, la théorie des cordes est le meilleur cadre dont nous disposons. »
Story by Kurt Pfitzer