L’univers primitif était un lieu d’extrêmes, où de minuscules fluctuations qui pouvaient façonner la structure même de l’univers et les lois de la physique elles-mêmes. Et tout cela a émergé, semble-t-il, d’une soupe d’informations quantiques sans forme.

« Si nous pouvions remonter jusqu’aux températures ardentes du big bang, nous pourrions éventuellement découvrir que l’espace-temps se désintègre », explique Barbara Šoda, chercheuse postdoctorale à l’Institut Périmètre.

Elle a travaillé avec Achim Kempf, professeur à l’Université de Waterloo et affilié à l’Institut Périmètre, et Marcus Reitz de l’Université Jagellonne en Pologne sur un Modèle d’émergence de l’espace-temps à partir de fluctuations « Model for Emergence of Spacetime from Fluctuations », récemment publié dans Physical Review Letters.

Les travaux suggèrent que l’espace-temps pourrait émerger de fragments informes d’informations quantiques et que l’espace-temps pourrait changer sa structure même et son nombre de dimensions, comme passer de deux dimensions aux trois dimensions de l’espace (et une du temps) que nous connaissons.

Les transitions à différentes températures, comme le passage de la vapeur à l’eau puis à la glace, sont courantes dans la nature. L’espace-temps, de la même manière, aurait pu fluctuer et subir de telles transitions.

L’étude montre comment les transitions se produiraient en raison de deux phénomènes physiques fondamentaux, la poussée fermionique et l’attraction bosonique.

Les fermions sont les particules fondamentales de toute matière. Ils comprennent les quarks, les électrons, les neutrinos, les protons et les neutrons. Ils sont individualistes par nature. Ils veulent s’éloigner les uns des autres, comme le décrit le célèbre principe d’exclusion de Pauli, qui dit que des fermions identiques ne peuvent pas occuper le même état quantique. La pression de la poussée fermionique est ce qui empêche une étoile à neutrons de s’effondrer sur elle-même.

Les bosons, en revanche, ressemblent davantage à des groupies sociales et peuvent s’accumuler dans le même état quantique. Les bosons s’attirent, et c’est ainsi que des états étranges de la matière comme les condensats de Bose-Einstein sont possibles. Les bosons transportent de l’énergie et des forces. Un photon, par exemple, est un boson qui transporte la force électromagnétique. Le gluon, le boson Z, le boson W et le boson de Higgs en sont d’autres exemples.

Le même type de poussée et d’attraction peut se produire dans l’espace-temps et le faire fluctuer. « Lorsque la température augmente, l’équilibre des deux phénomènes peut changer, ce qui entraîne un changement dans les dimensions de l’espace-temps », explique Šoda. « Si les températures sont suffisamment extrêmes, cet équilibre pourrait être perturbé, ce qui entraînerait la désintégration de l’espace-temps. »

Cette théorie offre une nouvelle perspective sur les origines de l’univers, ajoute Šoda.

Kempf dit que les mathématiques utilisées pour développer cette image sont particulièrement intéressantes.

Šoda et ses collègues ont utilisé des outils mathématiques de géométrie spectrale qui consiste à relier les spectres de sons à des formes développés par Hermann Weyl il y a plus de 100 ans en Allemagne.

Une façon d’envisager les mathématiques de Weyl, explique Kempf, est de se demander : « Si vous faites tinter une cuillère contre un vase, dans quelle mesure pouvons-nous décrire la courbure d’un vase à partir de son seul son ? Les travaux de Weyl ont fourni un moyen d’utiliser les informations sur les spectres, les fréquences présentes dans un son, et de les relier à des formes telles que la courbure. »

Quel est le rapport avec l’espace-temps? Eh bien, la théorie de la relativité générale d’Einstein porte sur la courbure de l’espace-temps, dit-il. De plus, « il y a toujours des fluctuations quantiques, comme si l’espace-temps sonnait un peu », explique Kempf.

Imaginez que vous disposiez d’un microscope à très haute résolution pour sonder la structure de l’espace-temps à des énergies très élevées. Vous constateriez qu’à mesure que vous zoomez sur des distances de plus en plus petites, vous obtiendriez des fluctuations de l’espace-temps en raison du principe d’incertitude.

« Dans les premiers temps de l’univers, quand tout était très chaud et que tout se passait à de très, très petites distances, il y avait des fluctuations d’énergie qui entraînaient des fluctuations de courbure », explique Kempf.

Le résultat serait un espace-temps qui se mettrait à bouillonner, comme un morceau de verre en fusion qui se mettrait à bouillonner pour former une trajectoire un peu courbe, éclaterait et disparaîtrait. « L’espace-temps pourrait avoir ces bulles qui éclatent et, à un moment donné, si vous remontez suffisamment loin pour revenir à un point où l’énergie est trop élevée et où tout est trop chaud, tout se désintègre », dit-il.

Les mathématiques de Weyl fournissent un moyen plus puissant et plus simple de décrire ces transitions dans la variété de l’espace-temps, ajoute Kempf. En essayant de décrire l’espace-temps, mathématiquement, on peut se retrouver coincé avec quatre dimensions, ou deux dimensions, sans savoir comment passer de l’une à l’autre. Mais avec les spectres, c’est plus facile à faire. « Les mathématiques du son sont beaucoup plus flexibles », dit-il.

Šoda explique que l’article relie les « espèces de particules » – les différents bosons et les fermions – au nombre de dimensions de l’espace-temps. cela n’a jamais été fait auparavant.

« Le fait que différentes espèces de particules entrent en jeu à différentes énergies est bien connu en physique des particules standard », explique Šoda. Dans les collisionneurs de particules comme celui du CERN, par exemple, plus les niveaux d’énergie sont élevés, plus le nombre d’espèces de particules est important.

« Dans cet article, nous avons découvert que nous pouvions relier l’équilibre du nombre d’espèces de particules bosoniques et fermioniques au nombre de dimensions », explique Šoda.

Tout cela s’inscrit dans la grande quête de la recherche en physique moderne, qui consiste à unir notre compréhension de la relativité générale (la théorie de la gravité d’Einstein) avec la théorie quantique, qui décrit les interactions des particules et des forces fondamentales dans la nature.

Il n’est pas facile d’intégrer la théorie de la gravité et la théorie quantique dans un cadre global et cohérent. Les deux théories sont extrêmement efficaces en elles-mêmes, mais elles ne parlent pas le même langage et sont mathématiquement incompatibles l’une avec l’autre. En reliant les particules aux dimensions de l’espace-temps, l’article récent apporte de nouvelles perspectives.

Il existe plusieurs approches pour parvenir à une théorie unifiée de la gravité quantique, comme la théorie des cordes et la gravité quantique à boucles, mais il s’agit d’un problème difficile à résoudre sur le plan mathématique. La méthode habituelle consiste à « quantifier » la gravité, en la considérant comme constituée de minuscules blocs de construction discrets mais formant en quelque sorte la variété lisse et continue que nous voyons dans l’image de la gravité « classique » d’Einstein.

Šoda a également publié récemment un article avec Jonathan Oppenheim, professeur de théorie quantique à l’University College de Londres, qui a développé une autre approche pour résoudre l’énigme.

Oppenheim suggère que s’il y a des fluctuations aléatoires dans l’espace-temps et que le champ gravitationnel bouge, on peut arriver à une théorie « hybride » dans laquelle les particules quantiques et l’espace-temps classique interagissent. Dans ce cas, il n’y aurait pas besoin de quantifier l’espace-temps pour arriver à une théorie cohérente.

Oppenheim, Šoda, Carlo Sparaciari (chercheur à l’University College de Londres) et Zachary Weller-Davies (chercheur postdoctoral récent à l’Institut Périmètre qui travaille maintenant à Londres) ont mis au point un moyen de tester sa théorie. C’est ce qu’explique l’article « Décohérence induite par la gravitation vs diffusion de l’espace-temps : tester la nature quantique de la gravité « Gravitationally induced decoherence vs space-time diffusion: testing the quantum nature of gravity », publié dans Nature Communications en décembre 2023.

Il postule que la « théorie postquantique de la gravité classique » d’Oppenheim, qui prédit des fluctuations aléatoires dans l’espace-temps, peut également rendre le poids apparent des objets imprévisible si ces derniers sont mesurés avec suffisamment de précision. L’article décrit comment des mesures ultra-précises de la masse et des expériences d’interférométrie pourraient être utilisées pour fixer certaines limites à la mesure dans laquelle la théorie de la gravité classique d’Einstein peut interagir avec la matière quantique, afin de prouver ou d’infirmer la théorie.

Oppenheim a fait un pari avec Geoff Penington de l’Université de Cambridge et Carlo Rovelli, un physicien italien qui est titulaire d’une chaire de recherche invitée distinguée à l’Institut Périmètre, selon lequel la gravité n’a pas besoin d’être quantifiée pour arriver à une image cohérente. La personne (ou les personnes) qui remportent le pari à 5 000 contre 1 peut obtenir 5 000 boulettes de bazinga (ou des chips de pomme de terre ou des doses d’huile d’olive, selon leur fantaisie).