L'énergie noire est-elle même autorisée dans la théorie des cordes?

Une nouvelle conjecture est la cause de l'excitation dans la communauté de la théorie des cordes. Timm Wrase de l'Université de technologie de Vienne a publié ses résultats très discutés sur les récents développements.

Dans la théorie des cordes, un changement de paradigme pourrait être imminent. En juin, une équipe de théoriciens des cordes de Harvard et de Caltech a publié une conjecture qui semblait révolutionnaire: la théorie des cordes serait fondamentalement incompatible avec notre compréhension actuelle de l'énergie noire – mais seule l'énergie sombre peut expliquer l'explosion de notre univers actuel. .

Timm Wrase, de l’Université de technologie de Vienne, a rapidement pris conscience de l’étonnant propos de cette hypothèse: elle semblait incompatible avec l’existence de la particule de Higgs. Ses calculs, qu'il a réalisés avec des théoriciens de l'Université Columbia à New York et de l'Université de Heidelberg, ont maintenant été publiés dans Examen physique D. En ce moment, il y a de vives discussions sur les cordes et l'énergie noire dans le monde entier. Wrase espère que cela débouchera sur de nouvelles avancées dans ce domaine de recherche.

La théorie pour tout

Beaucoup d’espoir a été placé dans la théorie des cordes. Il est supposé expliquer comment la gravitation est liée à la physique quantique et comment nous pouvons comprendre les lois de la nature, qui décrivent le monde physique dans son ensemble, des plus petites particules à la plus grande structure du cosmos.

Souvent, la théorie des cordes a été accusée de fournir simplement des résultats mathématiques abstraits et de faire trop peu de prédictions pouvant être vérifiées par une expérience. Maintenant, cependant, la communauté de la théorie des cordes à travers le monde discute d'une question étroitement liée aux expériences cosmiques mesurant l'expansion de l'univers. En 2011, le prix Nobel de physique a été décerné pour la découverte que l’univers ne grandit pas toujours plus grand, mais que cette expansion s’accélère réellement.

Ce phénomène ne peut s'expliquer que par l'hypothèse d'une énergie noire supplémentaire, jusque-là inconnue. Cette idée venait à l'origine d'Albert Einstein, qui l'a ajoutée à sa théorie de la relativité générale en tant que "constante cosmologique". Einstein a réellement fait cela pour construire un univers non en expansion. Quand Hubble découvrit en 1929 que l'univers était en train de s'étendre, Einstein décrivit cette modification de ses équations comme la plus grande faute de sa vie. Mais avec la découverte de l'expansion accélérée du cosmos, la constante cosmologique a été réintroduite sous forme d'énergie noire dans le modèle standard actuel de la cosmologie.

Comme une pomme dans le bol de fruits

"Pendant longtemps, nous avons pensé qu'une énergie aussi sombre pouvait être bien intégrée à la théorie des cordes", déclare Timm Wrase de l'Institut de physique théorique de l'Université de technologie de Vienne. La théorie des cordes suppose qu'il existe des particules additionnelles, jusque-là inconnues, pouvant être qualifiées de champs.

Ces champs ont un état d'énergie minimale, un peu comme une pomme dans un bol. Il se trouvera toujours tout en bas, au point le plus bas du bol. Partout ailleurs, son énergie serait supérieure. Si nous voulons la déplacer, nous devons exercer de l'énergie. Mais cela ne signifie pas que la pomme au point le plus bas n’a aucune énergie. On peut poser le bol avec la pomme sur le sol ou sur le dessus de la table. Là, la pomme a plus d’énergie mais ne peut toujours pas bouger car elle est encore dans un état d’énergie minimale.

"Dans la théorie des cordes, il existe des champs qui pourraient expliquer l'énergie noire de la même manière: localement, ils sont dans un état d'énergie minimale, mais leur énergie a toujours une valeur supérieure à zéro", explique Timm Wrase. "Donc, ces champs fourniraient la soi-disant énergie noire, avec laquelle nous pourrions expliquer l'expansion accélérée de l'univers."

Mais Cumrun Vafa de l’Université de Harvard, l’un des théoriciens des cordes les plus renommés au monde, a publié un article le 25 juin, soulevant de nombreux sourcils. Il a suggéré que de tels champs d'énergie positive "en forme de cuvette" ne sont pas possibles dans la théorie des cordes.

Le champ de Higgs: une contradiction

Timm Wrase de l'Université de technologie de Vienne a rapidement compris les implications de cette affirmation: "Si cela est vrai, l'expansion accélérée de l'univers, telle que nous l'avions imaginée jusqu'à présent, n'est pas possible", explique-t-il. "L'expansion accélérée devrait alors être décrite par un champ aux propriétés très différentes, comme un plan incliné sur lequel une balle roule en descente, perdant de l'énergie potentielle." Mais dans ce cas, la quantité d’énergie noire dans l’univers changerait avec le temps et l’expansion accélérée de l’univers pourrait s’arrêter un jour. La gravité pourrait alors rassembler toutes les matières et tout assembler en un point similaire à celui du Big Bang.

Mais Timm Wrase, qui avait déjà traité de questions similaires dans sa thèse de doctorat, a estimé que cette idée ne pouvait pas non plus être la vérité dans son ensemble. "La conjecture de Cumrun Vafa, qui interdit certains types de champs, interdirait également des choses que nous savons déjà exister", explique-t-il.

Wrase a pu montrer que le champ de Higgs possède également des propriétés qui devraient en fait être interdites par la conjecture de Vafa – et le champ de Higgs est considéré comme un fait prouvé expérimentalement. Pour sa découverte, le prix Nobel de physique 2013 a été attribué. Wrase a téléchargé ses résultats sur le site Web de pré-impression Arxiv, suscitant rapidement de nombreuses discussions dans la communauté de la théorie des cordes. Le travail a maintenant été examiné par des pairs et publié dans la revue "Physical Review".

"Cette controverse est une bonne chose pour la théorie des cordes", est convaincu Timm Wrase. "Soudain, beaucoup de gens ont des idées complètement nouvelles auxquelles personne n'avait pensé auparavant." Wrase et son équipe étudient actuellement quels champs sont autorisés dans la théorie des cordes et à quels points ils violent la conjecture de Vafa. "Peut-être que cela nous amène à de nouvelles connaissances passionnantes sur la nature de l'énergie noire – ce serait un grand succès", a déclaré Wrase.

Les hypothèses qui se dégagent seront (au moins en partie) bientôt testées expérimentalement. Au cours des prochaines années, l’expansion accélérée de l’univers sera mesurée avec une précision inégalée.

Explorer plus loin:
Centenaire de la constante cosmologique lambda

Plus d'information:
Frederik Denef et al. la conjecture de Sitter swampland et le potentiel de Higgs, Examen physique D (2018). DOI: 10.1103 / Physevd.98.086004, https://arxiv.org/abs/1807.06581