Les Théoriciens Des Cordes Simulent Le Big Bang

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Les théoriciens des cordes ont utilisé des matrices pour modéliser la naissance de l'univers - le moment où trois dimensions spatiales se sont détachées des six autres et élargies pour produire la structure 3d de l'univers.

Les physiciens japonais ont créé un modèle de théorie des cordes simulant la naissance de l'univers. Dans leur modèle, le Big Bang était un «événement révolutionnaire» - une fluctuation qui a libéré trois dimensions spatiales des six autres dimensions de la théorie des cordes, puis s'est rapidement déployée pour produire la structure 3D observée de notre univers.

La théorie des cordes - une "théorie de tout" proposée qui unit la mécanique quantique et la relativité générale dans un même tableau complet - modélise les particules élémentaires sous forme de lignes oscillantes ("chaînes") plutôt que de points sans dimension. Pour que les mathématiques fonctionnent, la théorie des cordes exige qu’il y ait 10 dimensions: neuf d’espace et une de temps. Notre univers ne semble avoir que trois dimensions spatiales, disent les théoriciens des cordes, parce que les six autres sont regroupées dans des faisceaux indétectablement minuscules appelés variétés de Calabi-Yau, qui mesurent 10 ^ -33 centimètres de diamètre.

Comme beaucoup d'autres aspects sous-jacents de la théorie des cordes, il n'y a aucune expérience réalisable qui pourrait vérifier que ces variétés existent, et donc que l'univers a vraiment une structure spatiale à 9 dimensions. Et si tel est le cas, les physiciens se demandent pourquoi trois de ces dimensions seraient énormes et les six autres extrêmement petites. Néanmoins, le cadre de la théorie des cordes est convaincant car il explique gracieusement la plupart des aspects de l'univers que nous observons, de l'électromagnétisme à la gravité, en passant par la thermodynamique des trous noirs.

La nouvelle recherche - menée par Sang-Woo Kim de l'Université d'Osaka, Jun Nishimura de l'Organisation de recherche sur les accélérateurs d'énergie (KEK) et Asato Tsuchiya de l'Université de Shizuoka - montre que la théorie des cordes explique de manière plausible l'origine de l'univers et sa structure 3D apparente. "Nous avons pu voir comment trois directions commencent à se développer à un moment donné", a déclaré Nishimura à Life's Little Mysteries. [L'univers a-t-il un avantage?]

Pour effectuer le calcul, les physiciens ont utilisé une reformulation de la théorie des cordes appelée modèle matriciel IIB, qui pose la théorie sous forme de matrices - des grilles rectangulaires d'expressions mathématiques décrivant les propriétés de l'univers. Les éléments des matrices peuvent être combinés mathématiquement pour simuler la manière dont les chaînes pourraient avoir interagi pour former l'univers tel qu'il est vu aujourd'hui.

"Dans la formulation du modèle matriciel pour la théorie des supercordes, les matrices sont supposées être les degrés de liberté fondamentaux, et l'image des chaînes apparaît lorsque l'on prend la limite d'une taille de matrice infiniment grande", écrit Nishimura dans un courrier électronique. Les matrices infiniment grandes étant lourdes à manier, les physiciens ont approché la structure de l'univers en travaillant avec des matrices finies, la plus grande comportant 32 rangées et 32 ​​colonnes.

La méthode habituelle de calcul de la théorie des cordes consiste à utiliser la théorie des perturbations, dans laquelle toutes les interactions possibles entre les chaînes sont considérées ensemble dans le calcul d'une interaction unique. Mais les équations décrivant les interactions entre chaînes sont si compliquées que cette méthode ne fonctionne que lorsque toutes les interactions possibles entre chaînes sont très faibles - de petites perturbations plutôt que les collisions à haute énergie et les compactifications qui auraient eu lieu dans l'univers primitif. Les matrices, quant à elles, peuvent être simulées numériquement par des superordinateurs. La reformulation de la théorie des cordes en un modèle matriciel permet donc aux physiciens de calculer la façon dont les événements se dérouleraient à des énergies extrêmement élevées, comme au moment du Big Bang. "Ce n'était pas possible avec la formulation conventionnelle de la théorie des supercordes", a écrit Nishimura.

"Ce que nous faisons dans cette simulation est de générer des centaines ou des milliers de matrices, chacune décrivant toute l'histoire de l'univers pendant un intervalle de temps fini. Nous devons ensuite prendre une moyenne sur les matrices pour obtenir des informations physiques sur la l'univers évolue dans le temps ", a expliqué Nishimura.

Les matrices plus grandes offrent des aperçus de plus grandes fenêtres dans le temps. Les simulations utilisant des matrices 32 x 32, la plus grande de l'expérience, ont duré deux mois sur un supercalculateur et ont permis aux chercheurs de suivre l'évolution de l'univers du Big Bang jusqu'au début de l'inflation - une période d'expansion exponentielle - à peine 10 ^ -36 secondes plus tard.

L’un des résultats clés de l’expérience a été que l’univers modèle à neuf dimensions s’est spontanément gonflé dans trois directions, tandis que ses six autres dimensions spatiales sont restées étroitement enveloppées. Cet événement révolutionnaire a été décrit par la modification des lignes et des colonnes de variables dans les matrices. des opérations mathématiques sur les matrices ont produit les coordonnées de l'espace et, à chaque pas de temps, les coordonnées ont augmenté dans trois directions (tout en restant inchangées dans les six autres). Pour ceux qui pouvaient les interpréter, les matrices changeantes exprimaient, en termes mathématiques, la naissance de l'espace-temps.

Les chercheurs ont déclaré que la suppression spontanée de symétrie résultait d'une fluctuation quantique - une violation momentanée de la loi de conservation de l'énergie, autorisée par les règles de la mécanique quantique. "L'espace-temps comporte certaines incertitudes… dictées par la relation d'incertitude de Heisenberg. L'un de nos résultats importants est que cette nature quantique de l'espace-temps favorise effectivement trois directions spatiales étendues plutôt que d'autres cas. Comment l'espace-temps quantique évolue La question classique, telle que nous la percevons maintenant, est une question importante que nous prévoyons de régler dans un avenir proche ", a écrit Nishimura.

Pour étudier cette question et d’autres questions relatives à l’évolution de l’univers en fonction de la théorie des cordes, les chercheurs doivent explorer une fenêtre temporelle au-delà du début de l’inflation et, pour ce faire, simuler des matrices encore plus grandes. "Nous y travaillons maintenant", a-t-il noté.

La nouvelle recherche sera détaillée dans un prochain article de la revue Physical Review Letters.

Cette histoire a été fournie par Life's Little Mysteries, un site soeur de WordsSideKick.com. Suivez Natalie Wolchover sur Twitter @nattyover. Suivez les petits mystères de la vie sur Twitter @llmysteries, puis rejoignez-nous sur Facebook.


Supplément Vidéo: La théorie des cordes expliquée – Quelle est la vraie nature de la réalité?.




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