LA LECTURE DES ARTICLES - CLASS 34

01 Les triangles cosmiques ouvrent une fenêtre sur l'origine du temps Un examen attentif des symétries fondamentales a révélé des modèles cachés dans l'univers. Les physiciens pensent que ces mêmes symétries peuvent également révéler le secret originel du temps. par Natalie Wolchover Les formes créées par les objets dans le ciel peuvent contenir des indices sur la nature du temps. Cliquez et faites glisser sur l'image pour vous déplacer ; faites défiler pour zoomer et dézoomer. Fin 2019, des paléontologues ont rapporté avoir trouvé le fossile d'une carapace de tortue aplatie qui "a peut-être été piétinée" par un dinosaure, dont les empreintes s'étendaient sur la couche rocheuse juste au-dessus. La rare découverte de fossiles corrélés retrace potentiellement deux espèces révolues au même moment et au même endroit. "Ce n'est qu'en faisant cela que nous sommes capables de reconstruire des écosystèmes anciens", a déclaré un paléontologue au New York Times . 02 L'approche est parallèle à la façon dont les cosmologistes procèdent pour déduire l'histoire de l'univers. Comme les fossiles, les objets astronomiques ne sont pas éparpillés au hasard dans l'espace. Au contraire, les corrélations spatiales entre les positions d'objets tels que les galaxies racontent une histoire détaillée du passé antique. "Les paléontologues en déduisent l'existence des dinosaures pour rendre compte de façon rationnelle des motifs étranges d'os", a déclaré Nima Arkani-Hamed , physicienne et cosmologiste à l'Institute for Advanced Study de Princeton, New Jersey. "Nous examinons les modèles dans l'espace aujourd'hui, et nous en déduisons une histoire cosmologique afin de les expliquer." 03 Un curieux schéma que les cosmologistes connaissent depuis des décennies est que l'espace est rempli de paires d'objets corrélés : des paires de points chauds observés sur les cartes des télescopes de l'univers primitif ; paires de galaxies ou d'amas ou superamas de galaxies dans l'univers aujourd'hui ; paires trouvées à toutes les distances. Vous pouvez voir ces "corrélations à deux points" en déplaçant une règle sur toute une carte du ciel. Lorsqu'il y a un objet à une extrémité, les cosmologistes constatent que cela augmente les chances qu'un objet se trouve également à l'autre extrémité. 04 L'explication la plus simple des corrélations les fait remonter à des paires de particules quantiques qui ont fluctué dans l'existence alors que l'espace s'étendait de manière exponentielle au début du Big Bang. Les paires de particules qui sont apparues au début se sont ensuite éloignées le plus l'une de l'autre, produisant des paires d'objets éloignés les uns des autres dans le ciel aujourd'hui. Les paires de particules qui sont apparues plus tard se sont moins séparées et forment maintenant des paires d'objets plus proches. Comme les fossiles, les corrélations par paires observées dans le ciel encodent le passage du temps – dans ce cas, le tout début des temps. 05 Les cosmologistes pensent que de rares fluctuations quantiques impliquant trois, quatre ou même plus de particules auraient également dû se produire lors de la naissance de l'univers. Celles-ci auraient vraisemblablement donné des configurations plus compliquées d'objets dans le ciel aujourd'hui : des arrangements triangulaires de galaxies, ainsi que des quadrilatères, des pentagones et d'autres formes. Les télescopes n'ont pas encore repéré ces corrélations statistiquement subtiles du "point supérieur", mais les trouver aiderait les physiciens à mieux comprendre les premiers instants après le Big Bang. 06 Pourtant, les théoriciens ont trouvé difficile même de calculer à quoi ressembleraient les signaux – jusqu'à récemment. Au cours des quatre dernières années, un petit groupe de chercheurs a abordé la question d'une manière nouvelle. Ils ont découvert que la forme des corrélations découle directement des symétries et d'autres principes mathématiques profonds. Les découvertes les plus importantes à ce jour ont été détaillées dans un article d'Arkani-Hamed et de trois co-auteurs qui a pris sa forme définitive cet été. Les physiciens ont utilisé une stratégie connue sous le nom de bootstrap , un terme dérivé de l'expression «reprenez-vous par vos propres bootstraps» (au lieu de pousser du sol). 07 L'approche déduit les lois de la nature en ne considérant que la logique mathématique et l'auto-cohérence des lois elles-mêmes, au lieu de s'appuyer sur des preuves empiriques. En utilisant la philosophie du bootstrap, les chercheurs ont dérivé et résolu une équation mathématique concise qui dicte les modèles possibles de corrélations dans le ciel résultant de différents ingrédients primordiaux. "Ils ont trouvé des façons de calculer des choses qui semblent totalement différentes des approches des manuels", a déclaré Tom Hartman , un physicien théoricien à l'Université Cornell qui a appliqué le bootstrap dans d'autres contextes. 08 Eva Silverstein , physicienne théoricienne à l'Université de Stanford qui n'a pas participé à la recherche, a ajouté que le récent article d'Arkani-Hamed et de ses collaborateurs est "une très belle contribution". L'aspect peut-être le plus remarquable de l'ouvrage, selon Silverstein et d'autres, est ce qu'il implique sur la nature du temps. Il n'y a pas de variable "temps" nulle part dans la nouvelle équation bootstrap. Pourtant, il prédit des triangles cosmologiques, des rectangles et d'autres formes de toutes tailles qui racontent une histoire sensible de particules quantiques apparaissant et évoluant au début des temps. 09 Cela suggère que la version temporelle de l'histoire d'origine cosmologique peut être une illusion. Le temps peut être vu comme une dimension « émergente », une sorte d'hologramme issu des corrélations spatiales de l'univers, qui elles-mêmes semblent provenir de symétries fondamentales. En bref, l'approche a le potentiel d'aider à expliquer pourquoi le temps a commencé et pourquoi il pourrait se terminer. Comme l'a dit Arkani-Hamed, "La chose que nous amorçons est le temps lui-même." Une carte du début des temps En 1980, le cosmologiste Alan Guth , réfléchissant à un certain nombre de caractéristiques cosmologiques, a postulé que le Big Bang avait commencé par une soudaine poussée d'expansion exponentielle, connue sous le nom d'"inflation cosmique". 10 Deux ans plus tard, bon nombre des plus grands cosmologistes du monde se sont réunis à Cambridge, en Angleterre, pour peaufiner les détails de la nouvelle théorie. Au cours de l'atelier Nuffield de trois semaines, un groupe qui comprenait Guth, Stephen Hawking et Martin Rees, le futur astronome royal, a reconstitué les effets d'une brève période d'inflation au début des temps. À la fin de l'atelier, plusieurs participants avaient calculé séparément que la gigue quantique pendant l'inflation cosmique aurait effectivement pu se produire au bon rythme et évoluer de la bonne manière pour donner les variations de densité observées dans l'univers. 11 Pour comprendre comment, imaginez le champ d'énergie hypothétique qui a conduit à l'inflation cosmique, connu sous le nom de "champ d'inflation". Comme ce champ d'énergie alimentait l'expansion exponentielle de l'espace, des paires de particules auraient surgi spontanément dans le champ. (Ces particules quantiques peuvent également être considérées comme des ondulations dans le champ quantique.) De telles paires apparaissent tout le temps dans les champs quantiques, empruntant momentanément de l'énergie au champ comme le permet le principe d'incertitude de Heisenberg. Normalement, les ondulations s'annihilent et disparaissent rapidement, renvoyant l'énergie. Mais cela ne pouvait pas se produire pendant l'inflation. Au fur et à mesure que l'espace se gonflait, les ondulations s'étiraient comme de la tire et étaient séparées, et ainsi elles se sont « figées » dans le champ comme des pics jumeaux dans sa densité. Au fur et à mesure que le processus se poursuivait, les pics formaient un motif imbriqué à toutes les échelles.

12*** Après la fin de l'inflation (une fraction de seconde après son début), les variations de densité spatiale sont restées. Des études sur la lumière ancienne appelée le fond cosmique des micro-ondes ont montré que l'univers naissant était parsemé de différences de densité d'environ une partie sur 10 000 - pas beaucoup, mais suffisamment. Au cours des près de 13,8 milliards d'années qui se sont écoulées depuis lors, la gravité a accentué le contraste en attirant la matière vers les points denses : désormais, des galaxies comme la Voie lactée et Andromède sont 1 million de fois plus denses que la moyenne cosmique. Comme Guth l'a écrit dans ses mémoires (faisant référence à une étendue géante de galaxies plutôt qu'au mur en Chine), "Le même principe d'incertitude d'Heisenberg qui régit le comportement des électrons et des quarks peut également être responsable d'Andromède et de la Grande Muraille !" 13 Puis, dans les années 1980 et 1990, les cosmologistes ont commencé à se demander quels autres champs ou mécanismes ou ingrédients supplémentaires auraient pu exister pendant l'inflation cosmique en plus du champ d'inflation, et comment ceux-ci pourraient changer le schéma. Les gens savaient que le champ d'inflation devait au moins avoir interagi avec le champ gravitationnel. Étant donné que les champs ont tendance à se renverser l'un dans l'autre mécaniquement quantique, lorsqu'une paire de particules se matérialisait dans le champ d'inflaton et se séparait par l'expansion cosmique, parfois l'une des paires devrait se transformer spontanément en deux particules de graviton 14 - excitations du champ gravitationnel. Cette paire, et la particule d'inflaton qui restait, auraient continué à se séparer, se figeant dans l'espace et créant un arrangement triangulaire de concentrations d'énergie. Pendant ce temps, si une paire de particules primordiales évoluait vers l'existence, puis que chaque particule se désintégrait en deux autres particules, cela donnerait plus tard une corrélation à quatre points. Mais alors que les télescopes voient très clairement les corrélations à deux points, les corrélations à trois points et plus devraient être plus rares, et donc plus difficiles à repérer. Ces signaux sont jusqu'à présent restés enfouis dans le bruit, bien que plusieurs télescopes puissants mis en ligne au cours de la prochaine décennie aient une chance de les déceler. 15 Les chasseurs de fossiles de la cosmologie recherchent les signaux en prenant une carte du cosmos et en déplaçant un modèle en forme de triangle dessus. Pour chaque position et orientation du gabarit, ils mesurent la densité du cosmos aux trois coins et multiplient les nombres ensemble. Si la réponse diffère de la densité cosmique moyenne au cube, il s'agit d'une corrélation en trois points. Après avoir mesuré la force des corrélations à trois points pour ce modèle particulier dans tout le ciel, ils répètent ensuite le processus avec des modèles triangulaires d'autres tailles et longueurs latérales relatives, et avec des modèles quadrilatéraux, etc. La variation de la force des corrélations cosmologiques en fonction des différentes formes et tailles est appelée la « fonction de corrélation », et elle code de riches informations sur la dynamique des particules lors de la naissance de l'univers. 16 C'est l'idée, en tout cas. Des tentatives ont été faites pour se rapprocher de la forme de la fonction de corrélation à trois points, mais essayer de calculer réellement la dynamique des particules primordiales en interaction dans un contexte d'espace en expansion exponentielle était à peu près aussi difficile que cela puisse paraître. Puis, en 2002, Juan Maldacena , physicien théoricien à l'Institute for Advanced Study, a réussi à calculer les modèles de corrélations à trois points résultant des interactions entre les inflatons et les gravitons. Le calcul de Maldacena a lancé une industrie, car les chercheurs ont appliqué ses techniques pour déterminer les signatures de point supérieur d'autres modèles inflationnistes , qui postulent des champs supplémentaires et des particules associées au-delà des inflatons et des gravitons. 17 Mais la méthode de force brute de Maldacena pour calculer la dynamique des particules primordiales était difficile et conceptuellement opaque. "Disons-le de cette façon : c'est assez compliqué", a déclaré Gui Pimentel , physicien à l'Université d'Amsterdam et co-auteur du nouvel article cosmologique bootstrap. Symétrie simple En mars 2014, les scientifiques du télescope BICEP2 ont annoncé avoir détecté des tourbillons dans le ciel imprimés par des paires de gravitons lors de l'inflation cosmique. modèle de tourbillon Il a été rapidement déterminé que le provenait de la poussière galactique plutôt que d'événements de la nuit des temps, mais au cours de la débâcle, de nombreux physiciens, dont Arkani-Hamed et Maldacena, ont recommencé à réfléchir à l'inflation. 18 Combinant leurs expertises, les deux physiciens ont réalisé qu'ils pouvaient traiter l'inflation cosmique comme un collisionneur de particules ultrapuissant. L'énergie du champ d'inflaton aurait alimenté la production abondante de paires de particules, dont les interactions et la désintégration auraient produit des corrélations de point plus élevé similaires aux cascades de particules qui s'envolent des collisions au Large Hadron Collider d'Europe. Ordinairement, ce recadrage n'aiderait pas ; les interactions de particules peuvent se dérouler d'innombrables façons, et la méthode standard pour prédire les résultats les plus probables - essentiellement, en prenant une somme pondérée d'autant de chaînes d'événements possibles que vous pouvez écrire - est un travail fastidieux. Mais les physiciens des particules avaient récemment trouvé des raccourcis en utilisant le bootstrap. 19 En tirant parti des symétries, des principes logiques et des conditions de cohérence, ils pouvaient souvent déterminer la réponse finale sans jamais travailler sur la dynamique compliquée des particules. Les résultats ont laissé entendre que l'image habituelle de la physique des particules, dans laquelle les particules se déplacent et interagissent dans l'espace et le temps, pourrait ne pas être la description la plus profonde de ce qui se passe. Un indice majeur est venu en 2013, quand Arkani-Hamed et son étudiant Jaroslav Trnka ont découvert que les résultats de certaines collisions de particules découlent très simplement du volume d'une forme géométrique appelée l'amplituèdre . 20 Avec ces découvertes à l'esprit, Arkani-Hamed et Maldacena soupçonnaient qu'ils pourraient arriver à une compréhension plus simple de la dynamique pendant l'inflation cosmique. Ils ont utilisé le fait que, selon la cosmologie inflationniste, l'univers en expansion exponentielle avait presque exactement la géométrie de "l'espace de Sitter", un espace semblable à une sphère qui a 10 symétries, ou des façons dont il peut être transformé et rester le même. Certaines de ces symétries sont familières et tiennent toujours aujourd'hui, comme le fait que vous pouvez vous déplacer ou vous tourner dans n'importe quelle direction et que les lois de la physique restent les mêmes. 21 L'espace De Sitter respecte également la symétrie de dilatation : lorsque vous effectuez un zoom avant ou arrière, toutes les quantités physiques restent les mêmes ou, tout au plus, sont remises à l'échelle par un nombre constant. Enfin, l'espace de Sitter est symétrique sous "transformations conformes spéciales": Lorsque vous inversez toutes les coordonnées spatiales, puis déplacez les coordonnées par une translation, puis les inversez à nouveau, rien ne change. Le duo a découvert que ces 10 symétries d'un univers en expansion contraignent étroitement les corrélations cosmologiques que l'inflation peut produire. 22 Alors que dans l'approche habituelle, vous commenceriez par une description des inflatons et autres particules qui auraient pu exister ; spécifier comment ils pourraient se déplacer, interagir et se transformer les uns dans les autres ; et essayer de déterminer le modèle spatial qui aurait pu se figer dans l'univers en conséquence, Arkani-Hamed et Maldacena ont traduit les 10 symétries de l'espace de Sitter en une équation différentielle concise dictant la réponse finale. Dans un article de 2015 , ils ont résolu l'équation dans la "limite comprimée" de triangles et de quadrilatères très étroits, mais ils n'ont pas pu la résoudre complètement. 23 Daniel Baumann et Hayden Lee , alors professeur et étudiant diplômé, respectivement, à l'Université de Cambridge, et Pimentel à Amsterdam ont rapidement vu comment étendre la solution d'Arkani-Hamed et Maldacena aux fonctions de corrélation à trois et quatre points pour une gamme de champs primordiaux possibles. et les particules associées. Arkani-Hamed a entamé une collaboration avec les jeunes physiciens, et tous les quatre se sont frayé un chemin plus loin dans les mathématiques. 24 Ils ont découvert qu'une fonction de corrélation à quatre points particulière était essentielle, car une fois qu'ils avaient résolu l'équation différentielle dictant cette fonction, ils pouvaient amorcer toutes les autres. "Ils ont essentiellement montré que les symétries, avec seulement quelques exigences supplémentaires, sont suffisamment fortes pour vous donner la réponse complète", a déclaré Xingang Chen , un cosmologiste à l'Université de Harvard, dont les propres calculs sur les corrélations de points plus élevés ont inspiré Arkani-Hamed et Maldacena en 2015. travailler. 25 Une mise en garde est que l'équation bootstrap suppose de faibles interactions entre les champs primordiaux, tandis que certains modèles d'inflation postulent une dynamique plus forte. Arkani-Hamed et compagnie étudient comment assouplir l'hypothèse de faiblesse. Déjà, leur équation simplifie de nombreux calculs existants dans la littérature. Par exemple, le calcul de Maldacena en 2002 de la fonction de corrélation à trois points la plus simple, qui remplissait des dizaines de pages, "se réduit à quelques lignes", a déclaré Pimentel. 27 Jusqu'à présent, les calculs ont porté sur les modèles spatiaux qui pourraient résulter de l'inflation cosmique. On s'attendrait à ce que les théories alternatives de la naissance de l'univers aient différentes signatures de point supérieur. Au cours des cinq dernières années, il y a eu un regain d'intérêt pour la cosmologie du rebond , qui redéfinit le Big Bang comme un Big Bounce d'une époque antérieure. La nouvelle approche basée sur la symétrie pourrait être utile pour faire la distinction entre les corrélations de point supérieur d'un univers qui a gonflé et d'un autre qui a rebondi. « Le mécanisme serait différent ; les symétries sont différentes », a déclaré Pimentel. "Ils auraient un menu différent de corrélations cosmologiques." 28 Ce sont des calculs supplémentaires à poursuivre avec les nouveaux outils mathématiques. Mais les chercheurs continuent également d'explorer les mathématiques elles-mêmes. Arkani-Hamed soupçonne que l'équation bootstrap que lui et ses collaborateurs ont dérivée peut être liée à un objet géométrique, à l'instar de l'amplituèdre, qui encode les corrélations produites lors de la naissance de l'univers de manière encore plus simple et élégante. Ce qui semble déjà clair, c'est que la nouvelle version de l'histoire n'inclura pas la variable connue sous le nom de temps. 29 D'où vient le temps L'amplituèdre a reconceptualisé les collisions de particules - apparemment des événements temporels - en termes de géométrie intemporelle. Lorsqu'il a été découvert en 2013, de nombreux physiciens ont vu une autre raison de penser que le temps doit être émergent - une variable que nous percevons et qui apparaît dans notre description grossière de la nature, mais qui n'est pas inscrite dans les lois ultimes de la réalité. 30 Au sommet de la liste des raisons de cette intuition se trouve le Big Bang. Le Big Bang a eu lieu lorsque le temps tel que nous le connaissons a jailli. Vraiment comprendre ce moment initial semblerait exiger une perspective intemporelle. "S'il y a quelque chose qui nous demande de proposer quelque chose qui remplace la notion de temps, ce sont ces questions sur la cosmologie", a déclaré Arkani-Hamed. Nima Arkani-Hamed , physicienne à l'Institute for Advanced Study de Princeton, New Jersey, qui poursuit un nouveau cadre pour la physique sans temps. https://getpocket.com/explore/item/cosmic-triangles-open-a-window-to-the-origin-of-time ***************