La théorie de la gravité quantique en boucle en termes simples. Gravité quantique en boucle et théorie des cordes

La physicienne théoricienne Sabine Hossenfelder de Stockholm a considéré deux candidats alternatifs pour une « théorie du tout » (la théorie des cordes et la gravité quantique en boucles) comme les faces d’une même médaille. Selon elle, la gravité quantique en boucle a désormais fait de grands progrès. Le scientifique en a parlé dans les pages de la publication en ligne Quanta Magazine.

La théorie des cordes

La théorie des cordes est une branche de la physique théorique qui étudie la dynamique d'interaction non pas de particules ponctuelles, mais d'objets étendus unidimensionnels, appelés cordes quantiques. La théorie des cordes combine les idées de la mécanique quantique et de la théorie de la relativité, de sorte qu'une future théorie de la gravité quantique pourrait être construite sur cette base.

La théorie des cordes repose sur l'hypothèse que toutes les particules élémentaires et leurs interactions fondamentales résultent d'oscillations et d'interactions de cordes quantiques ultramicroscopiques à des échelles de l'ordre de la longueur de Planck de 10,35 m. Cette approche, d'une part, évite des difficultés de la théorie quantique des champs telles que la renormalisation et, d'autre part, conduit à un examen plus approfondi de la structure de la matière et de l'espace-temps. La théorie quantique des cordes est née au début des années 1970 grâce à la compréhension des formules de Gabriele Veneziano associées aux modèles de cordes de la structure des hadrons. Le milieu des années 1980 et le milieu des années 1990 ont été marqués par le développement rapide de la théorie des cordes ; on s'attendait à ce que dans un avenir proche, sur la base de la théorie des cordes, ce qu'on appelle la « théorie unifiée » ou « la théorie du tout » soit formulée, la recherche pour laquelle Einstein a passé des décennies sans succès. Mais, malgré la rigueur mathématique et l'intégrité de la théorie, aucune option de confirmation expérimentale de la théorie des cordes n'a encore été trouvée. Née pour décrire la physique des hadrons, mais pas tout à fait adaptée à cela, la théorie s'est retrouvée dans une sorte de vide expérimental pour décrire toutes les interactions.

L'un des principaux problèmes lorsqu'on tente de décrire la procédure de réduction des théories des cordes de la dimension 26 ou 10 à la physique des basses énergies de dimension 4 est le grand nombre d'options pour la compactification des dimensions supplémentaires dans les variétés et orbites de Calabi-Yau, qui sont probablement cas limites particuliers des espaces de Calabi-Yau . Le grand nombre de solutions possibles depuis la fin des années 1970 et le début des années 1980 a créé ce que l’on appelle le « problème du paysage », ce qui amène certains scientifiques à se demander si la théorie des cordes mérite un statut scientifique.

Malgré ces difficultés, le développement de la théorie des cordes a stimulé le développement de formalismes mathématiques, principalement la géométrie algébrique et différentielle, la topologie, et a également permis de mieux comprendre la structure des théories antérieures de la gravité quantique. Le développement de la théorie des cordes se poursuit et on espère que les éléments manquants de la théorie des cordes et les phénomènes correspondants seront découverts dans un avenir proche, notamment grâce aux expériences menées au Grand collisionneur de hadrons.

Théorie de la gravité quantique en boucle

La gravité quantique en boucle est l'une des théories de la gravité quantique.

Dans la théorie de la gravité quantique, l’espace lisse et continu que nous connaissons aux très petites échelles s’avère être une structure à la géométrie très complexe.

L’un des avantages de la théorie quantique de la gravité en boucle est le naturel avec lequel elle explique le modèle standard de la physique des particules.

Dans son article de 2005, Sundance Bilson-Thompson a proposé un modèle (apparemment basé sur la théorie plus générale des tresses de M. Khovanov) dans lequel les rishons Harari étaient transformés en objets étendus en forme de ruban appelés rubans. Potentiellement, cela pourrait expliquer les raisons de l'auto-organisation des sous-composants des particules élémentaires, conduisant à l'émergence d'une charge de couleur, alors que dans le modèle précédent du préon (Rishon), les éléments de base étaient des particules ponctuelles et la charge de couleur était postulée. Bilson-Thompson appelle ses rubans allongés des « gelons » et son modèle un gelon. Ce modèle conduit à l'interprétation de la charge électrique comme une entité topologique qui apparaît lorsque des rubans sont tordus.

Le deuxième article, publié par Bilson-Thompson en 2006 avec Fotini Markopolou et Lee Smolin, suggère que pour toute théorie des boucles de gravité quantique dans laquelle l'espace-temps est quantifié, les états excités de l'espace-temps lui-même peuvent jouer le rôle de préons, conduisant à l'apparition de préons. émergence du modèle standard comme propriété émergente de la théorie de la gravité quantique.

Ainsi, Bilson-Thompson et ses co-auteurs ont proposé que la théorie de la gravité quantique en boucle puisse reproduire le modèle standard en unifiant automatiquement les quatre forces fondamentales. Parallèlement, à l'aide de préons, présentés sous forme d'attaches parisiennes (tissages d'espace-temps fibreux), il a été possible de construire un modèle réussi de la première génération de fermions fondamentaux (quarks et leptons) à plus ou moins reproduction moins correcte de leurs charges et parités.

L'article original de Bilson-Thompson suggérait que les fermions fondamentaux de deuxième et troisième génération pourraient être représentés comme des attaches parisiennes plus complexes, et les fermions de première génération comme les attaches parisiennes les plus simples possibles, bien qu'aucune représentation spécifique des attaches parisiennes complexes n'ait été donnée. On pense que les charges électriques et colorées, ainsi que la parité des particules appartenant à des générations de rang supérieur, devraient être obtenues exactement de la même manière que pour les particules de première génération. L'utilisation de méthodes informatiques quantiques a permis de montrer que de telles particules sont stables et ne se désintègrent pas sous l'influence de fluctuations quantiques.

Les structures en ruban dans le modèle Bilson-Thompson sont représentées comme des entités constituées de la même matière que l'espace-temps lui-même. Bien que les articles de Bilson-Thompson montrent comment des fermions et des bosons peuvent être produits à partir de ces structures, ils n'expliquent pas comment la brading pourrait être utilisée pour produire le boson de Higgs.

L. Freidel, J. Kowalski-Glikman et A. Starodubtsev ont suggéré dans leur article de 2006 que les particules élémentaires peuvent être représentées à l'aide des lignes de Wilson d'un champ gravitationnel, ce qui implique que les propriétés des particules (leurs masses, énergies et spins) peuvent correspondre à les propriétés des boucles de Wilson - les objets de base de la théorie de la gravité quantique en boucles. Ce travail peut être considéré comme un support théorique supplémentaire pour le modèle préon de Bilson-Thompson.

En utilisant le formalisme du modèle de mousse de spin, directement lié à la théorie de la gravité quantique à boucles, et basé uniquement sur les principes initiaux de cette dernière, il est également possible de reproduire certaines autres particules du Modèle Standard, comme les photons, gluons et gravitons - quel que soit le schéma Billson-Thompson Brad pour les fermions. Cependant, en 2006, il n'était pas encore possible de construire des modèles d'hélon en utilisant ce formalisme. Le modèle helon ne contient pas d'attaches parisiennes qui pourraient être utilisées pour construire le boson de Higgs, mais en principe ce modèle ne nie pas la possibilité de l'existence de ce boson sous la forme d'une sorte de système composite. Bilson-Thompson note que, puisque les particules ayant des masses plus grandes ont généralement une structure interne plus complexe (y compris la torsion des attaches parisiennes), cette structure peut être liée au mécanisme de formation de masse. Par exemple, dans le modèle de Bilson-Thompson, la structure d'un photon de masse nulle correspond à des attaches parisiennes non torsadées. Cependant, il reste difficile de savoir si le modèle de photons obtenu dans le formalisme de la mousse de spin correspond au photon de Bilson-Thompson, qui dans son modèle est constitué de trois rubans non torsadés (il est possible que plusieurs versions du modèle de photons puissent être construites dans le cadre de la mousse de spin). formalisme).

Initialement, le concept de « préon » était utilisé pour désigner des sous-particules ponctuelles incluses dans la structure des fermions demi-spin (leptons et quarks). Comme déjà mentionné, l’utilisation de particules ponctuelles conduit au paradoxe de masse. Dans le modèle Bilson-Thompson, les rubans ne sont pas des structures de points « classiques ». Bilson-Thompson utilise le terme « préon » pour maintenir la continuité dans la terminologie, mais ce terme fait référence à une classe plus large d'objets qui sont des composants de la structure des quarks, des leptons et des bosons de jauge.

Il est important pour comprendre l’approche de Bilson-Thompson que dans son modèle préon, les particules élémentaires telles que l’électron soient décrites en termes de fonctions d’onde. La somme des états quantiques d'une mousse de spin ayant des phases cohérentes est également décrite en termes de fonction d'onde. Il est donc possible qu'en utilisant le formalisme de mousse de spin, on puisse obtenir des fonctions d'onde correspondant à des particules élémentaires (photons et électrons). Actuellement, combiner la théorie des particules élémentaires avec la théorie de la gravité quantique en boucle est un domaine de recherche très actif.

En octobre 2006, Bilson-Thompson a modifié son article, notant que bien que son modèle soit inspiré des modèles à préons, il ne s'agit pas d'un préon au sens strict du terme, de sorte que les diagrammes topologiques de son modèle à préons peuvent très probablement être utilisés dans d'autres théories fondamentales. , comme la théorie M. Les restrictions théoriques imposées aux modèles de préons ne sont pas applicables à son modèle, puisque les propriétés des particules élémentaires ne découlent pas des propriétés des sous-particules, mais des connexions de ces sous-particules entre elles (attaches parisiennes). Une possibilité consiste, par exemple, à « intégrer » les préons dans la théorie M ou dans la théorie de la gravité quantique en boucle.

Comme le rapporte Hossenfelder, les extensions de la gravité quantique à boucles dans des dimensions supérieures impliquent, comme la théorie des cordes, la supersymétrie. Pour que la gravité quantique à boucles soit cohérente avec la relativité restreinte, la première, comme le pense l'Uruguayen Rodolfo Gambini, nécessite l'introduction d'interactions similaires à celles de la théorie des cordes.

Herman Verlinde de l'Université de Princeton estime que la gravité quantique en boucle peut aider à progresser dans la compréhension de l'idée de la correspondance AdS/CFT (correspondance anti-de Sitter/théorie conforme des champs) entre la théorie conforme des champs et la gravité. Dans ses travaux récents, rapporte Hossenfelder, le physicien a utilisé les méthodes de gravité quantique en boucle pour décrire l'espace-temps tridimensionnel (dans lequel deux coordonnées sont spatiales et une est temporelle).

Actuellement, plusieurs milliers de physiciens théoriciens travaillent sur la théorie des cordes. Au-dessus de la gravité quantique en boucle, il y a des centaines de fois moins de spécialistes. La plupart des théoriciens des cordes ne prennent pas au sérieux la gravité quantique à boucles. La théorie des cordes repose sur l'hypothèse de l'existence sur les échelles de Planck d'objets hypothétiques unidimensionnels - des cordes dont les excitations sont interprétées comme des particules élémentaires et leurs interactions.

Cette théorie est un développement cohérent de la théorie quantique des champs, qui constitue actuellement l'appareil mathématique de la physique des particules moderne - le modèle standard. Contrairement à la théorie des cordes, la gravité quantique en boucle suppose l’existence d’une grille espace-temps discrète formée de cellules quantiques. La dynamique de ces cellules détermine la structure de l'espace-temps.

Nous vous invitons à regarder le débat entre physiciens défendant une théorie opposée à leur spécialisation :

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La théorie des cordes et la théorie quantique des boucles de la gravité sont des programmes de recherche très dynamiques avec de grandes chances de découvrir de nouvelles lois de la nature. Chacun d’eux a réalisé bien plus que ce que des experts clairvoyants auraient prédit lorsqu’ils pariaient il y a vingt ans. Nous commencerons par les problèmes de la gravité quantique elle-même.

Une théorie quantique correcte de la gravité doit :

Questions concernant la gravité quantique

1. Dire si les principes de la relativité générale et de la mécanique quantique sont corrects tels qu’ils ont été établis, ou s’ils nécessitent des modifications.
2. Donner une description précise de la nature à toutes les échelles, y compris l'échelle de Planck.
3. Pour nous dire qu’il y a du temps et de l’espace dans un langage tout à fait compatible à la fois avec la théorie quantique et avec le fait que la géométrie de l’espace-temps est dynamique. Dire comment le cône de lumière, la structure causale, la métrique, etc. doivent être décrits mécaniquement quantique, y compris sur l'échelle de Planck.
4. Dérivez l'entropie et la température d'un trou noir. Expliquez comment l'entropie d'un trou noir peut être comprise comme une entropie statistique en faisant la moyenne de la description quantique.
5. Soyez cohérent avec la valeur apparemment observée, mais faible, de la constante cosmologique. Expliquez l'entropie de l'horizon cosmologique.
6. Expliquez ce qui se passe dans les singularités de la relativité générale classique.
7. Soyez complètement indépendant de l’arrière-plan. Cela signifie que ni les champs classiques ni les solutions aux équations de champ classiques n'apparaissent dans la théorie autrement que comme une approximation des états et des histoires quantiques.
8. Prédire de nouveaux phénomènes physiques, dont au moins certains pourront être testés dans des expériences modernes ou dans un avenir proche.
9. Expliquez comment la relativité générale classique apparaît dans la limite de basse énergie correspondante de la physique à l'échelle de Planck.
10. Prédisez si l'invariance globale de Lorentz observée pour l'espace-temps plat est réalisée exactement dans la nature, jusqu'à des paramètres de boost infinis, ou s'il y a des modifications dans la mise en œuvre de l'invariance de Lorentz pour les échelles d'énergie et de quantité de Planck.
11. Donner des prédictions précises de la diffusion des gravitons les uns sur les autres et sur d'autres quanta dans tous les ordres de la théorie des perturbations proches de l'approximation semi-classique

Cela fait beaucoup de questions, mais il est difficile de croire à une théorie quantique de l’espace et du temps qui ne répond pas à chacune d’elles. Il existe cependant un problème qu’il est difficile de surestimer : l’exigence d’indépendance en matière d’arrière-plan. Il y a deux raisons à cette exigence. La première est une question de principe. Tout au long de l’histoire de la physique, depuis les pionniers grecs, deux visions opposées ont existé sur la nature de l’espace et du temps. La première est qu’ils ne font pas partie d’un système dynamique, mais représentent plutôt un aspect éternellement fixe et non dynamique de l’arrière-plan dans lequel les lois de la nature sont déterminées. C'est le point de vue de Newton et est généralement appelé absolu point de vue.

Dans la littérature de langue russe, au lieu du terme invariance sous difféomorphismes spatio-temporels ou du terme invariance difféomorphique, qui est souvent utilisé ci-dessous, les termes invariance générale ou covariance générale sont généralement utilisés. Cependant, nous suivrons l'original dans la traduction.

Le deuxième point de vue est que la géométrie de l’espace et du temps est un aspect du système dynamique qui représente l’univers. L’espace et le temps ne sont donc pas figés, mais évoluent, comme toute chose, selon certaines lois. De plus, selon ce point de vue, l'espace et le temps relatif. Cela signifie qu'il n'y a pas de signification absolue au moment et au lieu d'un événement autre que celle qui peut être déterminée à partir de la corrélation de quantités observables ou des relations entre différents événements. C'est le point de vue de Leibniz, Mach et Einstein et on l'appelle relatif point de vue.

Principe de covariance générale

Le principe de covariance générale stipule qu'une équation physique est satisfaite dans un champ gravitationnel arbitraire si l'équation est satisfaite en l'absence de gravité, c'est-à-dire qu'elle correspond aux lois de la relativité restreinte lorsque le tenseur métrique qu'elle contient est égal au tenseur de l'espace-temps plat de Minkowski et la connexion affine est nulle (équivalence de tous les systèmes de référence) et si l'équation physique est généralement covariante, c'est-à-dire qu'elle conserve sa forme sous une transformation de coordonnées arbitraire (le contenu physique des équations ne dépend pas sur le choix du système de coordonnées). Si, à la suite de la transformation des coordonnées, les variables qui en dépendent (fonctions de coordonnées) ont changé selon une loi, alors le principe de covariance générale exige que les nouvelles fonctions de nouvelles coordonnées satisfassent à des équations de la même forme que les anciennes fonctions des anciennes coordonnées. Le principe de covariance générale revêt une grande importance heuristique pour dériver les équations de la relativité générale.

Supposons que nous considérons une équation qui satisfait au principe de covariance générale dans un champ gravitationnel arbitraire. Une équation est généralement covariante, c'est-à-dire qu'elle est valide dans tous les systèmes de coordonnées si elle est valide dans n'importe quel système de coordonnées. Mais en tout point donné, il existe un système de coordonnées localement inertiel dans lequel il n’y a pas de gravité. La condition de respect des lois de la relativité restreinte en l'absence de gravité signifie que l'équation est valable dans le système de coordonnées inertielle local et, en raison de la covariance générale, est valable dans tous les autres systèmes de coordonnées. Ainsi, le principe de covariance générale découle du principe d'équivalence.

La théorie de la relativité générale d'Einstein est une réalisation du point de vue relatif. Les observations montrant que le rayonnement gravitationnel transfère l'énergie des systèmes de pulsars binaires vers deux degrés de liberté de rayonnement, tout comme le prédit la théorie d'Einstein, pourraient être considérées comme un coup fatal pour absolu points de vue. Le fait que deux degrés de liberté, mais pas cinq, soient observés signifie que l'invariance de jauge des lois de la nature inclut l'invariance sous les difféomorphismes spatio-temporels. Cela signifie que la métrique est une valeur entièrement dynamique et qu’aucun des composants de la métrique n’est fixe et non dynamique.

Comme l'ont noté Einstein et de nombreux autres scientifiques, l'invariance sous difféomorphismes est directement liée à l'indépendance de la théorie par rapport à l'arrière-plan. Cela montre « l'argument du trou » et l'analyse de Dirac sur la signification de la symétrie de jauge. Il y a une bonne discussion de ce fait par Stachel, Barbour, Rovelli et d'autres. Ainsi, la relativité générale classique est indépendante du contexte. L'arène de sa dynamique n'est pas l'espace-temps, l'arène est l'espace de configuration de tous les degrés de liberté du champ gravitationnel, qui est une métrique modulo des difféomorphismes. Nous pouvons maintenant nous demander : une théorie quantique de la gravité doit-elle également être indépendante du contexte ?

L’inverse rappellerait la situation dans laquelle un champ de Yang-Mills classique spécial est requis pour définir la dynamique quantique en QCD, alors qu’aucun champ fixe et non dynamique n’est requis pour définir la théorie classique. Jusqu’à présent, beaucoup ont exprimé l’opinion que la théorie quantique de la gravité nécessite peut-être un arrière-plan fixe et non dynamique de l’espace-temps pour sa définition. Cela semble presque absurde, car cela revient à choisir telle ou telle solution de la théorie classique (parmi une infinité) et à lui donner un rôle privilégié dans la théorie quantique. De plus, il ne devrait y avoir aucun moyen expérimental de savoir quel fond classique est sélectionné pour ce rôle privilégié, puisque tout effet dépendant d'un fond fixe et survivant dans la limite des basses énergies violera l'invariance difféomorphique.

Mais cela signifierait que l’invariance difféomorphique n’est pas une symétrie de jauge exacte dans la limite des basses énergies, et il s’ensuit que lorsque la matière est accélérée, plus de deux degrés de liberté de la métrique doivent être excités. Mais cela contredirait l’extrême sensibilité de l’accord de la relativité générale et le taux de désintégration observé des orbites des doubles pulsars. Ainsi, les arguments issus des principes généraux et de l’expérience soutiennent la conclusion selon laquelle la nature est conçue de telle sorte que, même dans le domaine quantique, tous les degrés de liberté de la géométrie espace-temps sont dynamiques. Mais si tel est le cas, aucune métrique classique ne peut jouer un rôle dans la formulation de la théorie quantique de la gravité.

En guise de réfutation, on dit parfois qu’une théorie acceptable peut être formulée de telle sorte que la théorie quantique dépende d’un contexte classique, mais que n’importe lequel parmi un grand nombre de contextes peut être utilisé, de sorte que la théorie ne nécessite pas un contexte particulier. Ce que l’on oublie ici, c’est qu’une telle théorie consiste en réalité en une longue liste de théories, une pour chaque contexte. Cela ne permet pas de concrétiser l’idée selon laquelle l’espace-temps quantique dans son ensemble est dynamique, de sorte que différents arrière-plans apparaissent comme solutions à la dynamique quantique. Il ne suffit pas que différents arrière-plans puissent être des solutions à différentes équations classiques, car cela conduit à une théorie mixte et probablement intenable dans laquelle la géométrie est divisée de telle sorte qu'une partie (l'arrière-plan) est une solution aux équations classiques, tandis qu'une autre partie (l'arrière-plan) est une solution aux équations classiques. une partie (ondes gravitationnelles « au-dessus du fond ») satisfait des équations quantiques qui dépendent du choix du fond. Une telle approche peut apparaître comme une approximation d’une théorie fondamentale, mais elle ne peut pas être la théorie fondamentale elle-même.

Questions liées à la cosmologie

Nous allons maintenant évoquer des mystères cosmologiques qui n’ont pas encore été résolus et dont beaucoup pensent que leur résolution nécessite la physique à l’échelle de Planck.

1. Expliquez pourquoi notre univers a apparemment commencé avec des conditions initiales extrêmement improbables.
2. En particulier, pour expliquer pourquoi, aux époques de grande unification, l’univers possédait des conditions initiales propices à l’inflation ou, alternativement, fournissait un autre mécanisme d’inflation ou un mécanisme par lequel les succès de la cosmologie inflationniste pouvaient être dupliqués.
3. Expliquez si le big bang a été le premier moment dans le temps ou s'il y a eu quelque chose avant.
4. Expliquez ce qu'est la matière noire. Expliquez ce qu'est l'énergie noire. Expliquez pourquoi la matière noire est actuellement cinq fois plus dense que la matière hadronique ordinaire, alors que l'énergie noire est encore deux fois plus dense que la matière noire.
5. Faites des prédictions au-delà du modèle standard actuel de la cosmologie, telles que des corrections du spectre de fond des micro-ondes prédites par les modèles inflationnistes.

Questions liées au rapprochement

Mentionnons maintenant les problèmes de physique des particules élémentaires qui doivent être résolus par toute théorie unifiée des interactions. Puisque le thorium des cordes est voué à devenir une telle théorie à l’avenir, il doit être évalué en fonction de sa capacité à répondre à ces questions. Il est également possible, mais pas nécessaire, que la gravité quantique en boucle apporte des réponses à certaines de ces questions.

1. Découvrez s'il existe ou non une plus grande unification des forces, y compris la gravité.
2. Expliquer les caractéristiques générales du modèle standard de la physique des particules, c'est-à-dire expliquer pourquoi les forces sont décrites par une théorie de jauge spontanément brisée avec le groupe $SU(3)\times SU(2)\times U(1)$ pression.
3. Expliquez pourquoi il existe une large hiérarchie dans les rapports de masse, de la masse de Planck à la masse des neutrinos et, enfin, jusqu'à la constante cosmologique. Décrivez le mécanisme par lequel la hiérarchie est créée, qu'il s'agisse d'une violation spontanée d'une théorie plus symétrique ou d'autres moyens. Expliquez pourquoi la constante cosmologique est si petite sur l'échelle de Planck.
4. Expliquer les valeurs actuelles des paramètres du modèle standard : masses, constantes de couplage, angles de mélange, etc. Expliquer la valeur observée de la constante cosmologique.
5. Dites-nous s'il existe une seule théorie valable de la nature qui fait des prédictions sans ambiguïté sur les résultats de toutes les expériences ou, comme on le suppose souvent, certaines ou toutes les questions laissées ouvertes par le modèle standard de la physique des particules doivent trouver une réponse en termes de choix parmi les phénoménologies cohérentes possibles permises par la théorie fondamentale.
6. Donnez quelques prédictions expérimentales de phénomènes propres à cette théorie qui sont testables dans des expériences modernes ou dans un futur proche.

Questions fondamentales

Enfin, il y a des questions sur les fondements de la théorie quantique, qui, selon beaucoup, sont étroitement liées au problème de la gravité quantique.

1. Résolvez le problème du temps en cosmologie quantique.
2. Expliquez comment la mécanique quantique doit être modifiée pour être applicable aux systèmes fermés, tels que l'univers, qui contiennent leur propre observateur.
3. Résolvez le mystère de l'endroit où les informations disparaissent lorsqu'un trou noir s'évapore.

Quelques notes fondamentales

L'étape actuelle de développement de la théorie de la gravité se caractérise non seulement par la recherche de nouveaux effets et la mise en place de nouvelles expériences, mais aussi par une analyse plus approfondie des prémisses de base de la théorie et des problèmes conceptuels, parmi lesquels le problème de l'énergie du champ gravitationnel occupe une place particulière. Les difficultés liées à la nature non tensorielle des grandeurs décrivant l'énergie du champ gravitationnel se sont révélées si graves qu'elles ont commencé à être considérées comme une manifestation des propriétés particulières du champ gravitationnel - universalité, non-spécification, non-localisabilité. .

Cependant, une analyse détaillée montre qu'aucune propriété particulière du champ gravitationnel ne peut expliquer la soi-disant non-localisabilité de ce champ. Non seulement l'énergie, mais aussi tous les résultats de la théorie, à l'exception de la fonction de Lagrange et des équations du champ gravitationnel, s'avèrent non covariants. Ainsi, une situation inhabituelle s'est produite dans la théorie de la relativité générale, dont la particularité réside dans le fait que dans une théorie dont les principes sont formulés de manière impeccablement mathématique, des conséquences physiques importantes sont en contradiction avec les dispositions initiales.

Ainsi, lors de la formulation du GTR, une exigence logique générale pour l'admissibilité de tout système de coordonnées est postulée, mais il s'est avéré que dans la théorie construite, les caractéristiques dynamiques du champ gravitationnel (à l'exception des équations d'Einstein) - densité d'énergie, impulsion - sont décrites. par des quantités non tensorielles. En conséquence, il est impossible de décrire sans ambiguïté la distribution énergie-impulsion d’un système physique situé dans un champ gravitationnel. C'est là qu'apparaît le concept de ce qu'on appelle la non-localisabilité du champ gravitationnel. L’énergie du champ gravitationnel n’est pas localisable, c’est-à-dire qu’il n’existe pas de densité d’énergie définie de manière unique.

Non-localisabilité

La nature de ce phénomène est la suivante. Si dans la description du champ électromagnétique, en plus du potentiel vectoriel, une métrique est également impliquée, alors la loi de la gravité d'Einstein n'inclut aucune autre grandeur que les potentiels gravitationnels. Dans le cas d'un champ électromagnétique, la grandeur physique est la classe d'équivalence des potentiels vectoriels, qui est déterminée par une fonction arbitraire. Le choix d'un représentant de chaque classe d'équivalence est réalisé en imposant la condition de Lorentz, qui est généralement covariante, c'est-à-dire indépendante du choix du système de coordonnées, puisqu'en théorie il existe un objet dit d'arrière-plan - la métrique de Minkowski. Pour un champ gravitationnel, une grandeur physique est la classe d'équivalence des potentiels gravitationnels, déterminée par quatre fonctions arbitraires. Une seule grandeur, l'action de Hilbert, ne dépend pas du choix de ces fonctions.

Poursuivant l'analogie, nous notons que dans la théorie de Maxwell, différents représentants de la classe d'équivalence correspondent non seulement à la même action, mais aussi au tenseur du champ électromagnétique, donc à la même force de Lorentz correspondent différents représentants de la classe d'équivalence. et la densité énergétique. En ce sens, le champ électromagnétique est localisable. Dans la théorie d'Einstein, différents représentants de la classe d'équivalence correspondent au même champ gravitationnel, qui est situé différemment dans l'espace-temps (« orienté ») par rapport au même observateur.

Différents représentants correspondent à différentes orientations. L'ambiguïté dans le choix de l'orientation est déterminée par quatre fonctions de coordonnées arbitraires. Puisque dans la théorie il n'y a pas d'objets autres que les potentiels gravitationnels, le choix d'un représentant de chaque classe d'équivalence ne peut être effectué de manière généralement covariante qu'en introduisant dans la théorie un objet non dynamique, dit d'arrière-plan - l'arrière-plan un. Le choix d'un représentant de chaque classe d'équivalence est réalisé en imposant quatre conditions généralement covariantes sur les dérivées covariantes des potentiels gravitationnels par rapport à la connectivité de fond. La non-localisabilité du champ gravitationnel est alors déterminée par la liberté de choisir la métrique de fond ou la connectivité de fond. Ainsi, le problème de l’énergie du champ gravitationnel se réduit à la question de la signification physique de la connectivité de fond, qui acquiert donc une importance fondamentale.

Si un champ gravitationnel et une connectivité de fond sont spécifiés sur la même variété, alors les particules gravitationnelles se déplacent le long de géodésiques déterminées par les potentiels gravitationnels. Une question naturelle se pose alors sur la nature des particules se déplaçant le long des géodésiques définies par la connectivité de fond. L’existence de particules de ce type est une nécessité évidente, sans laquelle il est problématique de se poser la question de la signification physique de la connectivité de fond. On pourrait essayer d’éviter de répondre à la dernière question en disant que les particules se déplacent le long d’une connectivité de fond géodésique en l’absence de champ gravitationnel. Cependant, il s’ensuit que la connectivité de fond n’a de sens qu’en l’absence de champ gravitationnel. Ainsi, suite à des exigences purement logiques découlant de faits immuables, nous arrivons à la conclusion sur l'existence d'une forme d'énergie non gravitationnelle, qui, comme on peut le voir, est directement liée à la signification physique des potentiels gravitationnels dans le cadre de la principe de covariance générale qui, comme cela a déjà été souligné à plusieurs reprises, est une exigence purement logique relative à toute théorie physique, y compris la théorie du champ gravitationnel.

D’où la nécessité d’une vérification expérimentale du principe d’universalité des interactions gravitationnelles. "La validité de ce principe dans le domaine de la physique microscopique n'est pas si évidente. De nombreuses règles connues sont remplies avec une grande précision pour les interactions électromagnétiques et autres; il est fort possible que le rôle particulier attribué à l'interaction gravitationnelle disparaisse, laissant place à une harmonie encore inconnue.

Cette citation est tirée des travaux de Wigner pour souligner que tester le principe d'universalité des interactions gravitationnelles est important non seulement en relation avec le problème de l'autocohérence de la théorie de la relativité générale, mais aussi pour clarifier le rôle des forces gravitationnelles dans la physique. du micromonde.

Une histoire de deux théories

Avant de présenter les principaux résultats et questions ouvertes de chaque théorie, il est utile de donner un aperçu de leurs principaux points communs et de leurs principales différences. Les similitudes et les différences sont frappantes et non triviales, et le lecteur gagnera probablement à les mettre en évidence ici avant de plonger nécessairement dans les détails plus fins et les distinctions plus fines nécessaires pour parvenir à une évaluation précise de chaque théorie.

Postulats généraux

La théorie des cordes et la gravité quantique en boucle sont toutes deux le développement d’un ensemble d’idées introduites à l’origine dans les années 1960 pour comprendre la physique des hadrons. À ce titre, ils partagent plusieurs postulats communs.

• Fondamental la théorie n'est pas une théorie ordinaire des champs locaux invariants de Poincaré.
• Fondamental les excitations sont des objets étendus. Celles-ci incluent des excitations unidimensionnelles et des excitations bidimensionnelles (et peut-être plus) de type membrane.
• Dualité. Les excitations unidimensionnelles ont une double description en tant que quanta de flux électrique d'une théorie de jauge non abélienne. Les excitations de grande dimension ont une double description en termes de flux électriques et magnétiques de grande dimension.
  Différentes versions du principe holographique ont été proposées, qui diffèrent dans la mesure dans laquelle les théories peuvent être complètement réduites à une théorie dynamique sur une surface de dimension inférieure.

Le fait que la théorie des cordes et la gravité quantique à boucles partagent ces postulats communs se reflète dans le fait que leurs formulations mathématiques se chevauchent. Par exemple, ils utilisent tous deux la théorie conforme des champs et la théorie de la représentation quantique des groupes.

Les deux théories peuvent être formulées dans un langage dans lequel tous les degrés de liberté sont représentés sous forme de grandes matrices. Ces formulations sont non perturbatives dans le sens où la dynamique matricielle code un nombre infini de termes perturbatifs.

Cependant, il existe également des différences très significatives.

La théorie des cordes et la gravité quantique en boucle commencent par l'utilisation d'objets étendus unidimensionnels, qui correspondent en dualité au flux de lignes d'un champ de jauge quantifié, ce sont les degrés de liberté fondamentaux de la théorie. Ils diffèrent sur trois points :

• Première différence.Les cordes sont considérées comme se déplaçant dans un contexte classique, caractérisé par un choix fixe de champs métriques et autres champs classiques. Les boucles sont supposées exister à un niveau plus fondamental, auquel il n’existe ni métrique classique ni autres champs.
• Deuxième différence.Le champ de jauge dans le cas des boucles est considéré comme jaugeant tout ou partie des transformations de Lorentz locales. Étalonnage le champ dans le cas de cordes ouvertes est considéré comme correspondant au champ de Yang-Mills.
• Troisième différence.Les deux approches adoptent des stratégies complètement différentes pour traiter l’impossibilité de la relativité générale d’exister comme une théorie quantique des champs renormalisable de manière perturbatrice. Cela est dû aux hypothèses physiques qui sous-tendent l’utilisation de la théorie des perturbations. Les postulats pertinents incluent 1) l'espace-temps est lissé à des échelles arbitrairement petites, de sorte qu'il y ait des perturbations linéarisables jusqu'à des longueurs d'onde arbitrairement petites. 2) la symétrie globale de Lorentz est une symétrie exacte du spectre de fluctuation proche de l'état quantique correspondant à l'espace de Minkowski, jusqu'à des longueurs d'onde arbitrairement petites et des paramètres d'amplification.

La théorie des cordes suppose que ces deux postulats sont exacts. D’où la stratégie consistant à rechercher une théorie perturbative, incluant les gravitons, dans laquelle ces postulats pourraient être mis en œuvre avec précision.

En revanche, la gravité quantique en boucle accepte que nous devions quantifier la relativité générale sans ces hypothèses. En effet, puisque l’invariance globale de Lorentz n’est pas une symétrie de la relativité générale classique, elle ne peut être supposée sous aucune quantification exacte de cette théorie. Ces deux hypothèses doivent ensuite être testées dans le sens où il faut voir dans quelle mesure elles se reproduisent dans la limite classique de la théorie quantique. En fait, comme nous le verrons, il existe des preuves qu’elles sont fausses dans au moins une quantification cohérente de la relativité générale.

En raison de ces différences, les deux théories ont des postulats différents. Ils conduisent également à des images physiques complètement différentes. Par conséquent, les deux théories font des prédictions très différentes pour les expériences futures. Il est utile de le noter tout de suite.

Prédictions caractéristiques de la théorie des cordes

La théorie des cordes exige que le monde ait un grand nombre de dimensions, de degrés de liberté et de symétries encore non détectés. Lorsque nous en discuterons en détail ci-dessous, nous remarquerons que la théorie des cordes exige que la nature ait 6 ou 7 dimensions d'espace au-delà de celles observées. Il prédit également l’existence d’un nouveau type de symétrie appelé supersymétrie, qui n’a pas non plus été observé jusqu’à présent. C'est la symétrie qui relie les fermions aux bosons. Malheureusement, il s’avère que la supersymétrie ne peut pas être utilisée pour relier l’un des fermions actuellement connus à l’un des bosons actuellement connus. Par conséquent, la supersymétrie et la théorie des cordes prédisent qu’il existe un grand nombre de particules élémentaires qui n’ont pas encore été observées.

Certains faits sont considérés comme de possibles preuves indirectes en faveur de la supersymétrie en physique des particules. Un élément de preuve concerne la question de savoir si les constantes de jauge et de couplage de Yukawa convergent à la même grande échelle unifiée. Le modèle standard a une unification approximative, mais pas exacte. L'unification est plus précise dans le modèle standard supersymétrique minimal, dans lequel le triangle résultant des trajectoires des trois constantes de couplage en cours est plus petit, et il est plus plausible que l'unification soit obtenue par des effets de seuil. Cependant, le comportement des constantes de couplage peut également être influencé par d’autres facteurs, tels que la masse des neutrinos.

Il y a deux choses à noter à ce sujet. Premièrement, il n’existe toujours aucune preuve observationnelle de l’existence des dimensions et symétries supplémentaires des particules prédites par la théorie des cordes. Deuxièmement, la théorie des cordes n’est pas la seule à prédire ces caractéristiques. Même avant la théorie des cordes, les dimensions supérieures étaient étudiées et il existait des théories ordinaires avec supersymétrie. Ces théories continuent d'être étudiées indépendamment de la théorie des cordes. Il n’est pas facile d’identifier une expérience qui confirmerait sans équivoque une prédiction de la théorie des cordes qui n’est pas également une prédiction de la théorie supersymétrique ordinaire ou de la théorie des champs de dimension supérieure.

Il existe une hypothèse formulée dans la théorie des cordes qui peut être soumise à des tests expérimentaux. C’est ce que la relativité restreinte vaut à toutes les échelles dans la forme originale qu’Einstein lui a donnée. En langage technique, cela signifie que la théorie suppose que l’invariance de Lorentz est une symétrie exacte du monde dans lequel nous vivons, excluant uniquement les effets de courbure de l’espace-temps.

Prédictions caractéristiques de la gravité quantique en boucle.

La gravitation quantique en boucle conduit également à des prédictions caractéristiques de phénomènes nouveaux, mais d’un type très différent. En fait, la gravité quantique en boucle est entièrement compatible avec le postulat selon lequel le monde n’a que trois dimensions spatiales et une dimension temporelle, et est connue pour être compatible avec un large éventail d’hypothèses sur la matière contenue dans le monde, y compris le modèle standard. Elle ne nécessite donc pas de dimensions, symétries ou degrés de liberté autres que ceux observés. Dans le même temps, il existe des versions de la gravité quantique en boucle qui incluent la supersymétrie (au moins jusqu'à $N = 2$) et bon nombre de ses résultats s'étendent à des dimensions supérieures. Par conséquent, s’il existe des indications de l’existence d’une supersymétrie ou de dimensions supérieures, il n’y aura aucun problème pour la gravité quantique en boucle.
Au lieu de cela, les prédictions de la gravité quantique en boucle concernent la structure de l’espace et de l’espace-temps à de très petites distances. En particulier, la gravité quantique en boucle prédit que l'image fluide de l'espace-temps de la relativité générale classique n'est en réalité que le résultat de la moyenne et du grossissement d'une structure discrète, dans laquelle les surfaces et les régions ne peuvent avoir que certaines valeurs quantifiées discrètes de superficies et volumes. La gravité quantique en boucle effectue des prédictions spécifiques pour la géométrie quantique discrète à courtes distances. De plus, ces prévisions découlent de principes premiers et manquent donc d’éléments d’ajustement. À cet égard, la gravité quantique en boucle diffère des approches précédentes, qui postulent une certaine forme de structure discrète comme point de départ, sans pour autant la dériver comme une conséquence de l’unification de la théorie quantique et de la relativité générale.

Il s'avère que cela a des conséquences liées à la question de savoir si la relativité restreinte et l'invariance de Lorentz sont exactement remplies dans la nature, ou s'il ne s'agit que d'une approximation qui est vraie à des échelles beaucoup plus grandes que l'échelle de Planck. Plusieurs calculs récents, effectués par différentes méthodes, fournissent des prédictions sur la relation changeante entre l'énergie et l'impulsion pour les particules élémentaires. Les relations ont la forme \begin(equation) E^(2) = p^(2)+ M^(2) + \alpha l_(Pl)E^(3)+ \beta l_(Pl)^(2) E^ (4)+ ...~~~~~~~~~~~~~~~~~(2) \end(équation) et des prédictions ont été obtenues pour les coefficients principaux a, qui, d'une manière générale, dépendent sur le spin et l'hélicité.
Il s’agit donc d’un domaine d’incohérence avec la théorie des cordes. De plus, ces modifications s’avèrent testables dans des expériences conçues. Par conséquent, les diverses prédictions de la théorie des cordes et de la gravité quantique à boucles concernant le devenir de l'invariance de Lorentz permettent de distinguer expérimentalement les théories dans un futur proche.

Situation expérimentale dans un futur proche

Le développement le plus important dans le domaine de la gravité quantique ces dernières années a été la prise de conscience qu'il devient désormais possible d'étudier expérimentalement la physique à l'échelle de Planck. Selon les hypothèses concernant la dynamique, il existe une bonne sensibilité expérimentale aux facteurs un dans la formule (2) pour les photons, les électrons et les protons. Au cours des prochaines années, un certain nombre d'expériences devraient augmenter la sensibilité à tel point que même si le terme principal $E^(3)$ est manquant, il n'est pas impossible d'imposer une contrainte d'unité d'ordre sur le $\beta, $ coefficient du terme d'ordre $E^(4) ).$

Cependant, il est essentiel de noter que pour mesurer UN Et V, il est nécessaire d'indiquer comment l'invariance de Lorentz est interprétée en théorie. Il existe deux possibilités très différentes qu'il faut distinguer.

1. Scénario A) La relativité des systèmes de référence inertiels est violée et un référentiel dédié existe. Dans ce cas, l'analyse doit être effectuée dans un système de référence distinct. L'hypothèse la plus probable est que le référentiel sélectionné coïncide avec le référentiel au repos par rapport au fond diffus cosmologique. De telles théories supposent que les transformations d’énergie et de quantité de mouvement restent linéaires.
2. Scénario B) La relativité des référentiels inertiels est préservée, mais les transformations de Lorentz sont mises en œuvre de manière non linéaire lorsqu'elles agissent sur les états propres d'énergie et de quantité de mouvement de la théorie. De telles théories sont appelées théories de la relativité restreinte modifiée ou théories de la double relativité restreinte. Des exemples sont donnés par certaines formes de géométrie non commutative, comme l'espace-temps k-Minkowski. Dans de telles théories, la transformation de l'énergie et de la quantité de mouvement devient non linéaire, ce qui affecte bien entendu l'analyse des expériences. Dans certains cas de telles théories, mais pas dans tous, la géométrie de l’espace-temps devient non commutative.

Parmi les expériences qui, soit fournissent déjà une sensibilité suffisante pour mesurer $\alpha$ et $\beta$, soit sont attendues d'ici 2010 (comme on peut le voir ici et ci-dessous, les prévisions de l'auteur concernant le succès de la physique expérimentale ne se sont pas réalisées, mais cela a peut-être été reporté dans un avenir proche. - tanière) année, il y a les éléments suivants :

1. Des violations évidentes de la limite GZK ont été observées dans les rayons cosmiques à ultra haute énergie dans l'expérience AGASA. La situation expérimentale n'est pas tout à fait claire, mais le nouveau détecteur de rayons cosmiques AUGER, déjà opérationnel, devrait résoudre le problème d'ici un an ou deux. En cas de violation de la limite GZK, une explication possible vient de la physique à l'échelle de Planck (2).
   Dans le scénario A), la violation de la limite GZK peut s'expliquer par les termes $E^3$ ou $E^4$ dans la relation énergie et impulsion des protons. Cependant, dans le cas B), il est moins naturel d'expliquer la violation de la limite GZK en modifiant la relation entre l'énergie et la quantité de mouvement sur les échelles de Planck, mais il existe des propositions pour de telles formes de ces théories dans lesquelles cela se produit.
2. Une anomalie similaire pourrait avoir été enregistrée pour les photons TeV provenant des blazars. Des remarques similaires s’appliquent au pouvoir explicatif des scénarios A) et B) si une anomalie existe.
3. Une conséquence de (2) est la dépendance de la vitesse de la lumière à l’énergie. Cet effet peut être recherché dans les caractéristiques temporelles des sursauts gamma. Les données existantes sont limitées UN au niveau $\alpha< \approx 10^{4},$ в то время как ожидается, что эксперимент GLAST будет чувствителен кUN environ un en 2006. Notez que cela s’applique aux scénarios A) et B).
4. Les observations existantes de l'émission synchrotron de la nébuleuse du Crabe, ainsi que des hypothèses astrophysiques raisonnables, pour le scénario A) imposent très fort(environ 10 $^(-9)!!$) limite de $\alpha$ pour les protons et les électrons.
5. Les données existantes provenant d'expériences précises de physique nucléaire et atomique fournissent des contraintes très fortes sur $\alpha$ pour les photons, les électrons et les hadrons, là encore uniquement dans le scénario A).
6. Les données existantes sur l'absence d'effet Cherenkov sous vide fournissent des contraintes intéressantes sur $\alpha$ pour le scénario A) .
7. L'observation de l'effet de biréfringence de la lumière polarisée provenant de galaxies lointaines fournit de fortes contraintes sur l'éventuelle $\alpha$ , en fonction de l'hélicité.
8. Sous certaines hypothèses14, les observations de cohérence de phase en interférométrie stellaire et galactique devraient produire des contraintes de l'ordre de l'unité sur $\alpha$ dans un avenir proche.
9. Certaines hypothèses sur l'échelle de Planck conduisent à des prédictions de bruit dans les détecteurs d'ondes gravitationnelles, observables dans les installations LIGO et VIRGO.
10. Dans certains scénarios cosmologiques, la modification de la forme (2) conduit à une distorsion du spectre de fond micro-onde, qui peut être observée dans des mesures dans un futur proche.

Nous parlons de la limite de Greisen-Zatsepin-Kuzmin - une énergie de l'ordre de $10^(20)$ eV, à laquelle la diffusion inélastique des protons sur le fond cosmique micro-ondes devient effective, et donc la coupure du spectre des rayons cosmiques devrait. Actuellement (fin 2007), certains résultats de l'expérience HiRes contredisent les résultats de l'AGASA et indiquent la présence d'une coupure à l'énergie GZK (voir R. U. Abbasi et al., arXiv:astro-ph/0501317) ; Le spectromètre AUGER n'est pas encore pleinement opérationnel, mais produit également des résultats cohérents avec HiRes mais incompatibles avec AGASA (voir Collaboration Pierre Auger, arXiv:astro-ph/0507150). Avec une forte probabilité, les résultats de l'AGASA ont été réfutés (Environ Trad.)

On peut résumer cette situation en disant que la théorie de la gravité quantique, qui conduit au scénario A) et prédit la relation énergie-impulsion (2) avec un $\alpha$ d'ordre unité, semble déjà avoir été exclue. Cela est surprenant, car il y a quelques années encore, il était généralement admis qu'il serait impossible de tester des hypothèses concernant l'échelle de Planck.

On peut également citer trois autres expériences qui, d'ici 2010, pourraient être pertinentes pour le problème de la gravité quantique.

1. Des preuves pour ou contre la supersymétrie peuvent être obtenues aux énergies TeV dans les accélérateurs.
2. Dans le cadre d'expériences menées dans un avenir proche, l'équation d'état de l'énergie sombre sera obtenue. Certaines propositions pour l'énergie noire [équation d'état] sont basées sur des modifications de la relation énergie-impulsion sous la forme (2).
3. Certaines observations indiquent que la constante de structure fine peut dépendre du temps. Cela sera confirmé ou refusé. Si cette affirmation est confirmée, elle représentera un défi majeur pour la compréhension de la théorie efficace des champs en physique des basses énergies.

La combinaison de toutes ces possibilités expérimentales indique que la longue période au cours de laquelle la physique fondamentale s'est développée indépendamment de l'expérience touchera bientôt à sa fin. Comme indiqué ci-dessus, d’éventuels résultats expérimentaux pourraient exclure la théorie des cordes ou la gravité quantique à boucles d’ici 2010. Certaines hypothèses sur la physique à l'échelle de Planck qui conduisent au cadre de référence préféré dans le scénario A) sont déjà exclues ou fortement contraintes par les observations.

La traduction a été réalisée par Panov Alexander Dmitrievich SINP MSU, candidat en physique et mathématiques. Sciences, chercheur principal.

Écologie de la cognition : « Je pense simplement qu’il y a trop de bonnes choses qui se sont produites dans la théorie des cordes pour que ce soit complètement faux. Les gens ne le comprennent pas très bien, mais je ne crois tout simplement pas au dessein cosmique géant qui a créé

«Je pense simplement qu'il y a trop de bonnes choses qui se sont produites dans la théorie des cordes pour que ce soit complètement faux. Les gens ne le comprennent pas très bien, mais je ne crois tout simplement pas à une gigantesque conception cosmique qui a créé cette chose incroyable et qui n'a rien à voir avec le monde réel », a déclaré un jour Edward Whitten.

Sans aucun doute, d’un point de vue mathématique, les théories incroyables, belles et élégantes ne manquent pas. Mais tous ne conviennent pas à notre univers physique. Il semble que pour chaque idée brillante décrivant avec précision ce que nous pouvons observer et mesurer, il existe au moins une idée brillante qui tente de décrire les mêmes choses mais qui reste fondamentalement fausse. La semaine dernière, nous avons posé une question qui se résume à quelque chose comme ceci.

La gravité quantique. Nous aimerions savoir s'il y a eu des progrès dans ce domaine au cours des cinq à dix dernières années. Il nous semble, à nous, mortels ordinaires, que ce domaine est un peu bloqué et que la théorie des cordes commence à tomber dans l'oubli, car elle est difficile à tester et comporte 10^500 solutions possibles. Est-ce vrai, ou y a-t-il des progrès quelque part en coulisses auxquels la presse ne prête tout simplement pas attention ?

Tout d’abord, il convient de tracer une grande distinction entre l’idée de la gravité quantique, la solution de la théorie des cordes (ou la solution proposée) et d’autres alternatives.

Commençons par l'Univers que nous connaissons et aimons. D’une part, il y a la théorie générale de la relativité, notre théorie de la gravité. Il soutient qu’au lieu d’être une simple action à distance, comme l’a légué Newton, avec toutes les masses en tous lieux exerçant des forces les unes sur les autres en proportion inverse du carré de la distance qui les sépare, elle repose sur un mécanisme plus subtil.

La masse, comme Einstein l'a établi avec le principe d'équivalence et E=mc^2 en 1907, était une forme d'énergie dans l'Univers. Cette énergie, à son tour, plie le tissu même de l’espace-temps, modifiant la trajectoire de tous les objets et modifiant ce que l’observateur pourrait observer comme une grille cartésienne. Les objets ne sont pas accélérés par une force invisible, mais voyagent plutôt le long d’un chemin déterminé par l’influence de toutes les différentes formes d’énergie de l’Univers.

C'est la gravité.

D’un autre côté, nous avons d’autres lois de la nature : les lois quantiques. Il existe l'électromagnétisme, qui est responsable des particules chargées électriquement, de leur mouvement et qui est décrit par le photon porteur de force, qui agit comme médiateur dans ces interactions et nous donne des phénomènes que nous associons à l'électrostatique et au magnétisme. Il existe également deux forces nucléaires : la force nucléaire faible, qui est responsable de phénomènes tels que la désintégration radioactive, et la force nucléaire forte, qui maintient les noyaux atomiques ensemble et permet aux protons et aux neutrons d'exister.

Les calculs de ces forces s’effectuent généralement dans un espace-temps plat, où chaque étudiant commence son étude de la théorie quantique des champs. Mais cela ne suffit pas lorsque nous sommes présents dans un espace courbe, comme le dicte la relativité générale.

« Donc, dites-vous, nous allons simplement effectuer nos calculs de théorie des champs sur fond d’espace courbe ! » C'est ce qu'on appelle la gravité semi-classique, et ce type de calcul nous permet de calculer des choses comme le rayonnement de Hawking. Mais même cela n’est disponible qu’à l’horizon du trou noir lui-même, et non là où la gravité sera dans toute sa splendeur. Il existe de nombreux cas physiques dans lesquels nous bénéficierions d’une théorie quantique de la gravité, et ils impliquent tous la physique gravitationnelle aux plus petites échelles et à de minuscules distances.

Que se passe-t-il, par exemple, dans les régions centrales des trous noirs ? Vous pourriez penser : « Oh, il y a une singularité là-bas », mais une singularité n’est pas tant un point avec une densité infinie qu’un exemple où l’outil mathématique de la relativité générale crache des réponses dénuées de sens à des questions sur les potentiels et les forces. Que se passe-t-il lorsqu’un électron traverse une double fente ? Le champ gravitationnel passe-t-il par les deux fentes ? Ou après un ? La théorie de la relativité générale n’en dit rien.

On pense qu’il doit y avoir une théorie quantique de la gravité qui expliquerait ces problèmes et d’autres inhérents à une théorie « douce » de la gravité comme la relativité générale. Afin d’expliquer ce qui se passe à de courtes distances en présence de sources gravitationnelles – ou de masses – nous avons besoin d’une théorie de la gravité quantique, discrète et donc basée sur les particules.

Grâce aux propriétés de la relativité générale elle-même, nous savons déjà quelque chose.

Les forces quantiques connues sont déterminées par l’action de particules appelées bosons ou particules à spin entier. Les photons assurent la médiation de la force électromagnétique, les bosons W et Z la médiation de la force nucléaire faible et les gluons la médiation de la force nucléaire forte. Toutes ces particules ont un spin de 1, et pour les particules massives, le spin peut être de -1, 0 ou +1, tandis que pour les particules sans masse (comme les gluons et les photons), il ne peut être que de -1 ou +1.

Le boson de Higgs est également un boson, mais il n'agit pas comme intermédiaire pour les forces et a un spin de 0. Pour autant que nous connaissions la gravité - GTR est une théorie tensorielle de la gravité - son médiateur devrait être une particule sans masse de spin 2. , ce qui signifie que son spin ne peut prendre que la valeur -2 ou +2.

Il s’avère que nous savons quelque chose sur la théorie quantique de la gravité avant même d’essayer de la formuler. Nous le savons parce que quelle que soit la théorie quantique de la gravité, elle doit être conforme à la Relativité Générale lorsque nous ne traitons pas des plus petites distances par rapport à des particules ou des objets massifs, tout comme la Relativité Générale doit être réduite à la gravité newtonienne dans le régime de champ faible. .

La grande question, bien sûr, est de savoir comment procéder. Comment quantifier la gravité pour qu'elle soit correcte (dans la description de la réalité), corrélée avec la relativité générale et le QFT, et conduise à des prédictions calculables de nouveaux phénomènes qui peuvent être observés, mesurés ou vérifiés.

Le principal concurrent, comme vous le savez, est la théorie des cordes.

La théorie des cordes est un domaine intéressant qui comprend tous les modèles standards de champs et de particules, de fermions et de bosons. Il comprend une théorie tensori-scalaire de la gravité à 10 dimensions : avec 9 dimensions spatiales et 1 dimension temporelle et un paramètre de champ scalaire. Si nous supprimons six de ces dimensions spatiales (par un processus pas encore entièrement compris que les gens appellent compactification) et laissons le paramètre (ω), qui définit l'interaction scalaire, aller à l'infini, nous pouvons restaurer la relativité générale.

Cependant, la théorie des cordes présente un certain nombre de problèmes phénoménologiques. L’un d’eux est que la théorie implique un grand nombre de nouvelles particules, y compris toutes supersymétriques, que nous n’avons pas encore découvertes. Il soutient qu'il n'est pas nécessaire d'utiliser les « paramètres libres » du modèle standard (pour les masses de particules), mais remplace ce problème par un problème encore pire. Quand on parle de 10^500 solutions possibles, ces solutions concernent les valeurs attendues des champs de chaîne, et il n'y a aucun mécanisme pour les reconstruire ; pour que la théorie des cordes fonctionne, il faudrait abandonner la dynamique et simplement dire "elle devait être choisie de manière anthropique".

Cependant, la théorie des cordes n’est pas le seul acteur dans ce domaine.

Gravité quantique en boucle

PKG est une manière intéressante d’aborder le problème : plutôt que d’essayer de quantifier les particules, PKG soutient que l’espace lui-même est discret. Comment la gravité est habituellement représentée : une feuille tendue avec une boule de bowling au centre. Nous savons également que la feuille est généralement quantifiée, c'est-à-dire qu'elle est constituée de molécules constituées d'atomes constitués de noyaux (quarks et gluons) et d'électrons.

L'espace peut être le même ! Puisqu’il agit comme un tissu, il est constitué d’éléments finis quantifiés. Et peut-être tissé à partir de « boucles », d'où son nom. Connectez ces boucles ensemble et vous obtenez un réseau représentant l’état quantique du champ gravitationnel. Selon cette image, non seulement la matière est quantifiée, mais aussi l’espace lui-même. Ce domaine scientifique est toujours activement développé.

Gravité asymptotiquement sûre

La liberté asymptotique a été développée dans les années 1970 pour expliquer la nature inhabituelle de la force forte : il s’agissait d’une force très faible sur des distances extrêmement courtes, qui devenait plus forte à mesure que les particules chargées s’éloignaient de plus en plus. Contrairement à l’électromagnétisme, qui avait une faible constante d’interaction, l’interaction forte en avait une grande. En raison de certaines propriétés intéressantes de la chromodynamique quantique, si vous l’associez à un système neutre (coloré), la force de l’interaction diminue rapidement. Cela pourrait s'expliquer par les tailles physiques des baryons (protons et neutrons par exemple) et des mésons (pions par exemple).

La liberté asymptotique, en revanche, a résolu le problème fondamental : vous ne voulez pas de petites interactions, de couplages (ou de couplages qui tendent vers zéro), mais plutôt des couplages qui seront simplement finis à la limite des hautes énergies. Toutes les constantes de couplage varient avec l'énergie, et la liberté asymptotique définit un point fixe à haute énergie pour la constante (techniquement, pour le groupe de renormalisation à partir duquel la constante de couplage est extraite), et tout le reste peut être calculé pour les basses énergies.

C'est du moins l'idée. Nous avons compris comment procéder pour 1 + 1 dimensions (une spatiale et un temps), mais pas pour 3 + 1. Cependant, des progrès sont réalisés, en grande partie grâce à Christoph Wetterich, qui a publié deux ouvrages monumentaux dans le années 90. Plus récemment, Wetterich a utilisé la liberté asymptotique – il y a à peine six ans – pour calculer une prédiction de la masse du boson de Higgs avant que le LHC ne le découvre. Le résultat?

Étonnamment, ses prédictions coïncidaient parfaitement avec les découvertes du LHC. Il s’agit d’une prédiction tellement excellente que si la sécurité asymptotique est correcte et que les masses du quark top, du boson W et du boson de Higgs sont finalement établies, la physique n’aura pas besoin d’autres particules fondamentales pour fonctionner de manière cohérente jusqu’aux valeurs de Planck.

Bien que la gravité asymptotiquement sûre n’ait pas reçu beaucoup d’attention, elle reste une théorie très attrayante et prometteuse, comme la théorie des cordes : elle quantifie avec succès la gravité, réduit la relativité générale à la limite des basses énergies et reste UV-finie. Cela bat également la théorie des cordes d'une certaine manière : il n'y a pas toute une montagne de nouveaux éléments que nous ne pouvons pas encore prouver.

Triangulation dynamique causale

Cette idée est assez nouvelle et a été développée en 2000 par Renata Loll en collaboration avec d'autres scientifiques. Cela est en accord avec la gravité quantique en boucle dans la mesure où l'espace est discret, mais concerne principalement la façon dont cet espace évolue. L’une des propriétés intéressantes de cette idée est que le temps doit également être discret. En conséquence, nous obtenons un espace-temps à quatre dimensions à l’heure actuelle, mais à des énergies très élevées et à de petites distances (sur l’échelle de Planck), il apparaît comme une structure à deux dimensions. Il est basé sur une structure mathématique appelée simplexe, qui est une généralisation à n dimensions d’un triangle. Un 2-simplex est un triangle, un 3-simplex est un tétraèdre, et ainsi de suite. L’une des « belles » caractéristiques de ce phénomène se présente sous la forme de causalité – un concept connu de beaucoup – qui est préservé dans la triangulation dynamique causale. Il est peut-être capable d'expliquer la gravité, mais il n'est pas sûr à 100 % si le modèle standard des particules élémentaires peut s'inscrire dans ce cadre.

Gravité émergente (induite)

La théorie récente de la gravité quantique la plus controversée est peut-être la gravité entropique, proposée par Eric Verlinde en 2009, selon laquelle la gravité n'est pas une force fondamentale, mais apparaît plutôt comme un phénomène lié à l'entropie. En fait, les racines de la gravité émergente remontent au découvreur des conditions de formation de l’asymétrie matière-antimatière, Andrei Sakharov, qui a proposé cette idée en 1967. Le travail en est encore à ses balbutiements, mais des progrès ont été réalisés dans le domaine au cours des 5 à 10 dernières années.

C’est ce que nous avons aujourd’hui sur la gravité quantique. Nous sommes convaincus que sans cela, nous ne comprendrons pas le fonctionnement de l’Univers à un niveau fondamental, mais nous n’avons aucune idée dans laquelle des cinq (et autres) directions présentées le mouvement sera correct. publié

• Traduction

Deux candidats à une « théorie du tout », longtemps considérés comme incompatibles, pourraient s’avérer être les deux faces d’une même médaille.

Quatre-vingts ans se sont écoulés depuis que les physiciens ont compris que les théories de la mécanique quantique et de la gravité sont incompatibles et que le mystère de leur combinaison reste entier. Au cours des dernières décennies, les chercheurs ont étudié ce problème de deux manières différentes – à travers la théorie des cordes et à travers la gravité quantique – que les scientifiques qui les pratiquent considèrent comme incompatibles. Mais certains scientifiques affirment que pour avancer, il est nécessaire d’unir nos forces.

Parmi les tentatives visant à unifier la théorie quantique et la gravité, celle qui a le plus retenu l'attention est . Son principe est simple : tout est fait de petites ficelles. Les chaînes peuvent être fermées ou ouvertes ; ils peuvent vibrer, s'étirer, se combiner ou se désintégrer. Et c’est dans cette diversité que résident les explications de tous les phénomènes observables, y compris la matière et l’espace-temps.

En revanche, la gravité quantique en boucle (LQG) met moins l’accent sur la matière présente dans l’espace-temps et se concentre davantage sur les propriétés de l’espace-temps lui-même. Dans la théorie PKG, l’espace-temps est un réseau. L’arrière-plan lisse de la théorie de la gravité d’Einstein est remplacé par des nœuds et des liens auxquels sont attribuées des propriétés quantiques. Ainsi, l’espace est constitué de pièces distinctes. Le PKG étudie principalement ces pièces.

Cette approche a longtemps été considérée comme incompatible avec la théorie des cordes. En effet, leurs différences sont évidentes et profondes. Pour commencer, PCG étudie des morceaux d’espace-temps et la théorie des cordes étudie le comportement des objets dans l’espace-temps. Ces domaines partagent également des défis techniques. La théorie des cordes exige qu'il y ait 10 dimensions dans l'espace ; PKG ne fonctionne pas dans des dimensions supérieures. La théorie des cordes suppose l’existence d’une supersymétrie, dans laquelle toutes les particules ont des partenaires encore inconnus. La supersymétrie n'est pas caractéristique du PCG.

Ces différences et d’autres encore ont divisé la communauté de la physique théorique en deux camps. "Les conférences sont divisées", déclare Dorge Pullin, physicien à la Louisiana State University et co-auteur d'un manuel sur le PCG. – Les joueurs de boucle vont aux conférences en boucle, les joueurs de cordes vont aux conférences de cordes. Désormais, ils ne vont même plus aux conférences sur la « physique ». Je pense que c'est assez malheureux."

Mais certains facteurs pourraient rapprocher ces camps. De nouvelles découvertes théoriques ont révélé de possibles similitudes entre la PKG et la théorie des cordes. Une nouvelle génération de théoriciens des cordes a dépassé la théorie des cordes et a commencé à rechercher des méthodes et des outils qui pourraient être utiles pour créer une « théorie du tout ». Et le récent paradoxe de la perte d’informations dans les trous noirs a rendu tout le monde plus humble.

De plus, en l’absence de preuves expérimentales de la théorie des cordes ou PKG, la preuve mathématique qu’il s’agit des deux faces d’une même médaille prouverait que les physiciens avancent dans la bonne direction dans leur quête d’une « théorie du tout ». La combinaison du PKG et de la théorie des cordes rendrait la nouvelle théorie unique.

Une connexion inattendue

« Il est difficile d'introduire des structures discrètes sans se heurter à des problèmes de SRT », explique Pullin. Dans un article rédigé en 2014 avec son collègue Rudolfo Gambini, physicien à l'Université républicaine d'Uruguay à Montevideo, Pullin écrit que l'alignement de PKG avec STR entraîne inévitablement l'apparition d'interactions similaires à celles présentes dans la théorie des cordes.

Le fait que les deux approches aient quelque chose en commun semblait probable à Pullin depuis une découverte fondamentale à la fin des années 1990 par Juan Malzadena, physicien à l'Institute for Advanced Study de Princeton, New Jersey. Malzadena, dans l'espace-temps anti-De Sitter (AdS), a réconcilié la théorie de la gravité et la théorie conforme des champs (CFT) à la frontière de l'espace-temps. Grâce à l’approche AdS/CFT, la théorie de la gravité peut être décrite à l’aide d’une théorie des champs plus compréhensible.

La version complète du dualisme est encore une hypothèse, mais elle présente un cas limite bien compris que la théorie des cordes ne traite pas. Comme les cordes ne jouent aucun rôle dans ce cas, elles peuvent être utilisées dans n’importe quelle théorie de la gravité quantique. Pullin voit ici un terrain d’entente.

PKG imaginé par un artiste

Hermann Verlinde, physicien théoricien à l'Université de Princeton qui travaille fréquemment sur la théorie des cordes, estime qu'il est plausible que les méthodes PKG puissent faire la lumière sur le côté gravitationnel du dualisme. Dans un article récent, il a décrit un modèle AdS/CFT simplifié en deux dimensions pour l’espace et une pour le temps, ou, comme disent les physiciens, dans le cas « 2+1 ». Il a découvert que l'espace AdS peut être décrit à l'aide de réseaux tels que ceux utilisés dans PCG. Même si l’ensemble de la conception fonctionne toujours en 2+1, il offre une nouvelle façon de considérer la gravité. Verlinde espère généraliser le modèle à davantage de dimensions. « PKG a été examiné de manière trop étroite. Mon approche s'étend également à d'autres domaines. D’un point de vue intellectuel, c’est un regard vers l’avenir », a-t-il déclaré.

Mais même s’il est possible de combiner les méthodes du PKG et de la théorie des cordes pour avancer dans l’espace AdS, la question demeure : quelle sera l’utilité d’une telle combinaison ? L'espace AdS a une constante cosmologique négative (ce nombre décrit la géométrie de l'Univers à grande échelle), tandis que notre Univers en a une positive. Nous ne vivons pas dans une construction mathématique décrite par l’espace AdS.

L'approche de Verlinde est pragmatique. « Par exemple, pour une constante cosmologique positive, nous pourrions avoir besoin d’une nouvelle théorie. La question est alors de savoir dans quelle mesure ce sera différent de celui-ci. AdS est le meilleur indice à ce jour de la structure que nous recherchons, et nous devons réaliser quelques astuces pour arriver à une constante positive. Il estime que les scientifiques ne perdent pas de temps avec cette théorie : « Même si AdS ne décrit pas notre monde, il nous donnera des leçons qui nous mèneront dans la bonne direction. »

Unification sur le territoire d'un trou noir

Mais ce problème n’est pas seulement important pour les théoriciens des cordes. "Tout ce débat sur le pare-feu s'est déroulé principalement dans la communauté des théoriciens des cordes, ce que je ne comprends pas", a déclaré Verlinde. "Les questions d'information quantique, d'intrication et de construction de l'espace mathématique de Hilbert sont les sujets sur lesquels les experts du PCG ont travaillé."

A cette époque, un événement inaperçu de la plupart des spécialistes des cordes s'est produit : la chute de la barrière érigée par la supersymétrie et les dimensions supplémentaires. Le groupe de Thomas Tiemann de l'Université d'Erlangen-Nuremberg (Allemagne) a étendu la PKG à des dimensions supérieures et a inclus la supersymétrie, des concepts qui étaient auparavant le domaine exclusif de la théorie des cordes.

Récemment, Norbert Bodendorfer, un ancien étudiant de Tiemann travaillant à l'Université de Varsovie, a appliqué les méthodes de quantification de boucles du PCG à l'espace AdS. Il soutient que PKG est utile pour traiter la dualité AdS/CFT dans les cas où les théoriciens des cordes ne peuvent pas effectuer de calculs gravitationnels. Bodendorfer estime que le fossé qui existait entre le PKG et les cordes est en train de disparaître. "Parfois, j'ai l'impression que les théoriciens des cordes comprennent très peu le PKG et ne veulent pas en parler", a-t-il déclaré. « Mais les jeunes spécialistes font preuve d’ouverture d’esprit. Ils sont très intéressés par ce qui se passe à l’intersection des régions.»

«La plus grande différence réside dans la manière dont nous définissons nos questions», explique Verlinde. "Le problème est malheureusement plus sociologique que scientifique." Il ne pense pas que les deux approches soient en conflit : « J'ai toujours pensé que la théorie des cordes et la PKG faisaient partie de la même description. PKG est une méthode, pas une théorie. Il s’agit d’une méthode de réflexion sur la mécanique quantique et la géométrie. Il s’agit d’une méthode que les théoriciens des cordes peuvent utiliser et utilisent déjà. Ces choses ne s’excluent pas mutuellement. »

Mais tout le monde n'est pas convaincu : Moshe Rozali, théoricien des cordes à l'Université de Colombie-Britannique, reste sceptique quant au PKG : « La raison pour laquelle je ne travaille pas sur le PKG, c'est parce qu'il a des problèmes avec le SRT », dit-il. "Si votre approche ne respecte pas les symétries de la relativité restreinte dès le début, vous aurez besoin d'un miracle à l'une des étapes intermédiaires." Cependant, selon Rosalie, certains outils mathématiques issus du PCG peuvent être utiles. « Je ne pense pas qu’il soit possible de combiner PKG et théorie des cordes. Mais les gens ont généralement besoin de méthodes et, en ce sens, elles sont similaires. Les méthodes mathématiques peuvent se chevaucher."

De plus, tous les partisans du PCG ne s’attendent pas à une fusion des deux théories. Carlo Rovelli, physicien à l'Université de Marseille et fondateur de la théorie PCG croit à la domination de sa théorie. "La communauté des cordes n'est plus aussi arrogante qu'elle l'était il y a dix ans, surtout après la déception suscitée par le manque de particules supersymétriques", dit-il. – Il est possible que les deux théories fassent partie d’une seule solution… mais je pense que c’est peu probable. À mon avis, la théorie des cordes n’a pas tenu ses promesses dans les années 1980 et fait partie de ces idées qui semblent belles mais ne décrivent pas le monde réel, dont l’histoire des sciences regorge. Je ne comprends pas comment les gens peuvent encore placer leurs espoirs en elle.

Pullin estime qu'il est prématuré de crier victoire : « Les partisans du PCG disent que leur théorie est la seule correcte. Je ne m'inscrirai pas pour ça. Il me semble que les deux théories sont extrêmement incomplètes. »

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  Les fondateurs de la « théorie quantique en boucle de la gravité » dans les années 80 du 20e siècle sont Lee Smolin, Abey Ashtekar, Ted Jacobson. (Anglais) Et Carlo Rovelli [supprimer le modèle] . Selon cette théorie, l’espace et le temps sont constitués de parties distinctes. Ces petites cellules quantiques de l'espace sont connectées les unes aux autres d'une certaine manière, de sorte qu'à de petites échelles de temps et de longueur, elles créent une structure hétéroclite et discrète de l'espace, et à grande échelle, elles se transforment en douceur en un espace-temps continu et lisse.

  Gravité en boucle et physique des particules

  L’un des avantages de la théorie quantique de la gravité en boucle est le naturel avec lequel elle explique le modèle standard de la physique des particules.

  Ainsi, Bilson-Thompson et ses co-auteurs ont proposé que la théorie de la gravité quantique en boucle puisse reproduire le modèle standard en unifiant automatiquement les quatre interactions fondamentales. Parallèlement, à l'aide de préons, présentés sous forme d'attaches parisiennes (tissages d'espace-temps fibreux), il a été possible de construire un modèle réussi de la première génération de fermions fondamentaux (quarks et leptons) à plus ou moins reproduction moins correcte de leurs charges et parités.

  L'article original de Bilson-Thompson suggérait que les fermions fondamentaux de deuxième et troisième génération pourraient être représentés comme des attaches parisiennes plus complexes, et les fermions de première génération comme les attaches parisiennes les plus simples possibles, bien qu'aucune représentation spécifique des attaches parisiennes complexes n'ait été donnée. On pense que les charges électriques et colorées, ainsi que la parité des particules appartenant à des générations de rang supérieur, devraient être obtenues exactement de la même manière que pour les particules de première génération. L'utilisation de méthodes informatiques quantiques a permis de montrer que de telles particules sont stables et ne se désintègrent pas sous l'influence de fluctuations quantiques.

  Les structures de ruban dans le modèle Bilson-Thompson sont représentées comme des entités constituées de la même matière que l'espace-temps lui-même. Bien que les articles de Bilson-Thompson montrent comment des fermions et des bosons peuvent être obtenus à partir de ces structures, la question de savoir comment le boson de Higgs pourrait être obtenu par brading n'y est pas abordée.

  L. Freidel ( L. Freidel), J. Kowalski-Glickman ( J. Kowalski-Glikman) et A. Starodubtsev dans leur article de 2006 suggèrent que les particules élémentaires peuvent être représentées à l'aide des lignes de Wilson d'un champ gravitationnel, ce qui implique que les propriétés des particules (leur masse, leur énergie et leur spin) peuvent correspondre aux propriétés des boucles de Wilson - les objets de base de la théorie de la gravité quantique en boucle. Ce travail peut être considéré comme un support théorique supplémentaire pour le modèle préon de Bilson – Thompson.

  Utiliser le formalisme du modèle essorer la mousse, qui est directement liée à la théorie de la gravité quantique en boucle, et basée uniquement sur les principes initiaux de cette dernière, il est également possible de reproduire certaines autres particules du Modèle Standard, comme les photons, les gluons et les gravitons - quel que soit le modèle de Bradson. -Schéma Thompson pour les fermions. Cependant, en 2006, il n'était pas encore possible de construire des modèles d'hélon en utilisant ce formalisme. Le modèle helon ne contient pas d'attaches parisiennes qui pourraient être utilisées pour construire le boson de Higgs, mais en principe ce modèle ne nie pas la possibilité de l'existence de ce boson sous la forme d'une sorte de système composite. Bilson-Thompson note que, puisque les particules ayant des masses plus grandes ont généralement une structure interne plus complexe (y compris la torsion des attaches parisiennes), cette structure peut être liée au mécanisme de formation de masse. Par exemple, dans le modèle de Bilson-Thompson, la structure d'un photon de masse nulle correspond à des attaches parisiennes non torsadées. Certes, il reste difficile de savoir si le modèle de photons obtenu dans le formalisme de la mousse de spin correspond au photon de Bilson-Thompson, qui dans son modèle est constitué de trois rubans non torsadés (il est possible que plusieurs versions du modèle de photons puissent être construites dans le cadre de la mousse de spin). formalisme).

  Initialement, le concept de « préon » était utilisé pour désigner des sous-particules ponctuelles incluses dans la structure des fermions demi-spin (leptons et quarks). Comme déjà mentionné, l’utilisation de particules ponctuelles conduit au paradoxe de masse. Dans le modèle Bilson-Thompson, les rubans ne sont pas des structures de points « classiques ». Bilson-Thompson utilise le terme « préon » pour maintenir la continuité dans la terminologie, mais ce terme fait référence à une classe plus large d'objets qui sont des composants de la structure des quarks, des leptons et des bosons de jauge.

  Il est important pour comprendre l’approche de Bilson-Thompson que dans son modèle préon, les particules élémentaires telles que l’électron sont décrites en termes de fonctions d’onde. La somme des états quantiques d'une mousse de spin ayant des phases cohérentes est également décrite en termes de fonction d'onde. Il est donc possible qu'en utilisant le formalisme de mousse de spin, on puisse obtenir des fonctions d'onde correspondant à des particules élémentaires (photons et électrons). Actuellement, combiner la théorie des particules élémentaires avec la théorie de la gravité quantique en boucle est un domaine de recherche très actif.

  En octobre 2006, Bilson-Thompson a modifié son article, notant que bien que son modèle soit inspiré des modèles à préons, il ne s'agit pas d'un préon au sens strict du terme, de sorte que les diagrammes topologiques de son modèle à préons peuvent très probablement être utilisés dans d'autres théories fondamentales. , comme, par exemple, la théorie M. Les restrictions théoriques imposées aux modèles de préons ne sont pas applicables à son modèle, puisque les propriétés des particules élémentaires ne découlent pas des propriétés des sous-particules, mais des connexions de ces sous-particules entre elles (attaches parisiennes). Une possibilité consiste, par exemple, à « intégrer » les préons dans la théorie M ou dans la théorie de la gravité quantique en boucle.

  Sabine Hossenfelder a proposé de considérer deux candidats alternatifs pour une « théorie du tout » – la théorie des cordes et la gravité quantique à boucles – comme les faces d’une même médaille. Pour garantir que la gravité quantique en boucle ne contredit pas la théorie restreinte de la relativité, il est nécessaire d’introduire des interactions similaires à celles considérées dans la théorie des cordes. .

  Problèmes de théorie

  Dans une version modifiée de son article, Bilson-Thompson admet que les problèmes non résolus de son modèle restent le spectre de masse des particules, les spins, le mélange de Cabibbo et la nécessité de lier son modèle à des théories plus fondamentales.

  Une version ultérieure de l'article décrit la dynamique des attaches parisiennes utilisant les mouvements de Pachner.