Les scientifiques ont peut-être découvert la première preuve observationnelle de la théorie des cordes, et le nouveau modèle croit que l’espace-temps est quantique, et son inférence est en accord frappant avec les observations de l’énergie sombre, ce qui devrait révéler la nature de l’expansion accélérée de l’univers.

Des physiciens ont proposé un nouveau modèle de l’espace-temps, qui pourrait fournir « la première preuve observationnelle » de la théorie des cordes. Selon une nouvelle étude de prépublication, le modèle pourrait même résoudre le mystère de l’énergie sombre – la force mystérieuse qui pousse l’univers à s’étendre à un rythme accéléré.

Les calculs des chercheurs révèlent que l’espace-temps présente des propriétés quantiques profondes à des échelles minuscules, qui sont très différentes du monde lisse et continu que nous vivons tous les jours. Leurs résultats soulignent que les coordonnées de l’espace-temps ne sont « pas échangeables », ce qui signifie que l’ordre dans lequel elles apparaissent dans les équations mathématiques affecte directement les résultats des calculs. Cette propriété est similaire à la façon dont les particules sont décrites en mécanique quantique.

Et l’un des corollaires les plus étonnants de cet espace-temps quantique, prédit par la théorie des cordes, est qu’il conduit naturellement à l’expansion accélérée de l’univers. Plus excitant encore, l’équipe a constaté que la vitesse à laquelle l’expansion accélérée prédite par le modèle ralentissait au fil du temps correspondait aux dernières observations de l’instrument DESI (Dark Energy Spectroscopy Instrument).

Michael Kavic, professeur à l’Université d’État de New York à Alderwestbury, co-auteur de l’étude, a expliqué à Live Science par e-mail : « Si nous le regardons à travers le prisme de nos recherches, alors les observations de DESI peuvent être considérées comme la première preuve observationnelle à l’appui de la théorie des cordes, et peuvent même être le premier effet concret observable de la théorie des cordes et de la théorie de la gravité quantique. » ”

De retour en 1998, le mystère de l’expansion de l’univers a marqué un tournant. À cette époque, deux équipes de recherche distinctes, le Supernova Cosmology Project et l’équipe de recherche de supernova à décalage vers le rouge, ont découvert un fait étonnant : au lieu de ralentir comme on le pensait auparavant, l’expansion de l’univers s’accélère ! Ils se sont appuyés sur des observations de supernovae lointaines qui étaient des étoiles mourantes beaucoup plus brillantes que prévu. Cette découverte a fortement fait allusion à une force mystérieuse inconnue qui imprégnait l’univers, qui a ensuite été nommée « énergie sombre ».

Cependant, l’origine exacte de l’énergie sombre reste une question ouverte. Une hypothèse populaire spécule qu’elle peut provenir de fluctuations quantiques dans le vide, comme c’est le cas avec les phénomènes observés dans les champs électromagnétiques. Cependant, lorsque les physiciens ont essayé de calculer le taux d’expansion de l’univers sur la base de cette idée, les résultats ont été stupéfiants : les calculs théoriques étaient de 120 ordre de grandeur plus grand que les observations ! Cet énorme fossé est sans aucun doute un sérieux défi pour les théories existantes.

Les observations récentes de DESI ont ajouté une nouvelle complexité à ce mystère. Selon le modèle standard de la physique des particules, si l’énergie sombre n’est qu’une manifestation de l’énergie du vide, alors sa densité devrait rester constante tout au long de l’histoire de l’univers. Mais les données de DESI racontent une autre histoire : l’accélération du taux d’expansion de l’univers n’est pas statique, mais ralentit au fil du temps. C’est précisément ce que le Modèle standard ne peut pas expliquer.

Afin de surmonter ces dilemmes théoriques, les chercheurs se sont tournés vers la théorie des cordes, l’un des candidats les plus prometteurs pour unifier la gravité et la mécanique quantique. Contrairement au modèle standard, qui traite les particules élémentaires comme des « points » sans volume, la théorie des cordes brosse un tableau plus subtil : les unités de base qui composent tout ne sont pas des points, mais des « cordes » unidimensionnelles extrêmement petites et constamment vibrantes. Les différents modes vibratoires de ces cordes correspondent aux différentes particules que nous observons, dont la particule imaginaire qui transmet les interactions gravitationnelles, le graviton.

Dans un nouvel article publié dans la base de données de prépublication arXiv, les physiciens Sunhaeng Hur, Djordje Minic et Tatsu Takeuchi de Virginia Tech, Vishnu Jejjala de l’Université Witwatersrand et Michael Kavic susmentionnés, ont utilisé la théorie des cordes pour fournir une analyse approfondie de l’espace-temps au niveau quantique.

Ils ont utilisé le cadre de la théorie des cordes pour remplacer la description du Modèle standard des particules élémentaires, et ont constaté que l’espace-temps lui-même est intrinsèquement quantique et non réciproque au niveau le plus fondamental. C’est cette percée fondamentale dans le concept de la physique classique qui leur permet de ne plus s’appuyer uniquement sur des données expérimentales pour s’adapter aux propriétés de l’énergie noire, mais de dériver directement d’une théorie physique de base.

Étonnamment, leur modèle calcule non seulement une valeur de densité d’énergie sombre qui est en bon accord avec les observations actuelles, mais prédit également plus précisément que cette densité d’énergie diminuera progressivement au fil du temps – ce qui coïncide avec les dernières observations de DESI.

L’aspect le plus stimulant de cette étude est peut-être qu’elle révèle que la valeur de l’énergie sombre dépend de deux grandeurs physiques en même temps : l’une est la longueur de Planck, qui représente l’échelle fondamentale de la gravité quantique, aussi petite que 10⁻³³ cm environ ; L’autre est l’échelle du vaste univers lui-même, qui s’étend sur des milliards d’années-lumière. Il est extrêmement rare en physique d’associer des échelles microscopiques aussi extrêmes à des échelles macroscopiques extrêmes, ce qui suggère fortement que l’énergie noire peut être profondément enracinée dans les propriétés quantiques de l’espace-temps lui-même.

« Cela suggère qu’il pourrait y avoir un lien plus profond entre la gravité quantique et la dynamique de l’univers que nous pensions auparavant être constant », a noté Michael Kavic. Peut-être avons-nous toujours eu une idée fausse fondamentale selon laquelle les propriétés fondamentales de l’univers sont statiques, mais ce n’est peut-être pas le cas. ”

Bien sûr, bien que l’explication de l’équipe de l’expansion accélérée de l’univers soit une percée théorique majeure, l’exactitude de son modèle doit encore être confirmée de manière concluante par des tests expérimentaux indépendants. Heureusement, les chercheurs ont mis au point des protocoles spécifiques pour tester leurs idées. Djordje Minic, physicien à Virginia Tech et co-auteur de l’article, a expliqué par e-mail que l’une des principales voies de vérification « consiste à sonder un modèle d’interférence quantique complexe ». Ce phénomène n’est pas possible dans le cadre standard de la physique quantique, mais selon la théorie de la gravité quantique, il devrait exister. ”

L’interférence signifie que lorsque des ondes (telles que des ondes lumineuses ou des ondes de matière) sont superposées, elles se renforcent ou s’annulent mutuellement, ce qui donne un motif unique. Dans la mécanique quantique traditionnelle, l’interférence suit des règles claires. Cependant, certains modèles de gravité quantique prédisent des interactions plus complexes qui produisent des effets d'« interférence d’ordre supérieur » qui vont au-delà des modèles standard. Si de tels effets peuvent être capturés en laboratoire, ce sera sans aucun doute un test révolutionnaire de la théorie de la gravité quantique. « Ce sont des expériences qui peuvent être faites sur le banc dans un avenir proche, disons trois à quatre ans. ”

Bien sûr, l’équipe de recherche ne s’est pas arrêtée à la construction théorique et a attendu le verdict final des résultats expérimentaux. Ils continuent d’approfondir leur compréhension de l’espace-temps quantique et explorent activement d’autres pistes qui pourraient tester leurs théories.

Une fois confirmées, ces découvertes constitueront non seulement une percée historique dans la résolution du mystère de l’énergie noire, mais fourniront également la première preuve observationnelle historique solide de la théorie des cordes, l’une des théories ultimes de la physique fondamentale qui a été poursuivie pendant des décennies.

Cet article a été traduit de Live Science et édité par BALI.