Theoretical physicists develop method to model a central theory of quantum gravity in the laboratory
by Sebastian Hofmann, Julius-Maximilians-Universität Würzburg
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par Sebastian Hofmann, Julius-Maximilians-Universität Würzburg
Illustration de la théorie utilisée pour modéliser la gravité quantique : le réseau simule un espace-temps courbé – près de la frontière, le réseau est plus dense en raison de la courbure. Les signaux électriques en interaction (lignes jaune, rouge et bleue) dans le volume simulent la dynamique gravitationnelle. La dynamique dans le volume et à la frontière extérieure correspond entre elles. Elles sont cohérentes avec la correspondance AdS/CFT. Crédit : Erdmenger/JMU, Böttcher/Alberta
La gravité n'est plus un mystère pour les physiciens – du moins lorsqu'il s'agit de grandes distances. Grâce à la science, nous pouvons calculer les orbites des planètes, prédire les marées et envoyer des fusées dans l'espace avec précision. Cependant, la description théorique de la gravité atteint ses limites au niveau des plus petites particules, le niveau dit quantique.
« Pour expliquer le Big Bang ou l'intérieur des trous noirs, nous devons comprendre les propriétés quantiques de la gravité », explique la professeure Johanna Erdmenger, titulaire de la chaire de physique théorique III à l'université de Würzburg (JMU) en Bavière, en Allemagne.
« À très haute énergie, les lois classiques de la gravité échouent. Par conséquent, notre objectif est de contribuer au développement de nouvelles théories qui peuvent expliquer la gravité à toutes les échelles, y compris au niveau quantique. »
La théorie centrale de la gravité quantique
La correspondance AdS/CFT, une théorie centrale de la gravité quantique, joue un rôle important dans le développement de nouveaux modèles. Elle stipule que des théories gravitationnelles complexes dans un espace de grande dimension peuvent être décrites par des théories quantiques plus simples à la frontière de cet espace.
AdS signifie Anti-de-Sitter, un type particulier d'espace-temps qui est courbé vers l'intérieur, comme une hyperbole. CFT signifie théorie des champs conformes, qui décrit les systèmes physiques quantiques dont les propriétés sont les mêmes à toutes les distances spatiales.
« Cela semble très compliqué au premier abord, mais c'est facile à expliquer », explique Erdmenger. « La correspondance AdS/CFT nous permet de comprendre des processus gravitationnels complexes, tels que ceux qui existent dans le monde quantique, à l'aide de modèles mathématiques plus simples. Au cœur de ce processus se trouve un espace-temps incurvé, qui peut être considéré comme un entonnoir.
« La correspondance stipule que la dynamique quantique au bord de l'entonnoir doit correspondre à la dynamique plus complexe à l'intérieur, à l'image d'un hologramme sur un billet de banque, qui génère une image tridimensionnelle bien qu'il ne soit lui-même que bidimensionnel.
Preuve de concept pour la réalisation de la dynamique gravita
En collaboration avec son équipe, Erdmenger a maintenant développé une méthode permettant de tester expérimentalement les prédictions de la correspondance AdS/CFT, jusqu'alors non confirmée. Un circuit électrique ramifié est utilisé pour imiter l'espace-temps courbe : les signaux électriques aux différents points de ramification du circuit correspondent à la dynamique gravitationnelle que l'on trouverait à différents points de l'espace-temps.
L'étude est publiée dans la revue Physical Review Letters.
Les calculs théoriques de l'équipe de recherche montrent que dans le circuit proposé, la dynamique au bord de l'espace-temps imité correspond également à celle à l'intérieur, ce qui permet de réaliser une prédiction centrale de la correspondance AdS/CFT par le circuit.
Dans une prochaine étape, l'équipe de recherche de Würzburg prévoit de mettre en pratique le dispositif expérimental décrit dans l'étude. Outre des avancées significatives dans la recherche gravitationnelle, cela pourrait également conduire à des innovations techniques.
« Nos circuits ouvrent également de nouvelles applications technologiques », explique Erdmenger. « Basés sur la technologie quantique, ils devraient transmettre des signaux électriques avec une perte réduite, car la courbure simulée de l'espace regroupe et stabilise les signaux. Ce serait une avancée pour la transmission de signaux dans les réseaux neuronaux utilisés pour l'intelligence artificielle, par exemple. »
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More information: Santanu Dey et al, Simulating Holographic Conformal Field Theories on Hyperbolic Lattices, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.061603. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2404.03062
Journal information: Physical Review Letters , arXiv
Provided by Julius-Maximilians-Universität W
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