Pourquoi l'espace-temps à la plus petite échelle peut être bidimensionnel

En 1973, George Ellis et Stephen Hawking ont publié un livre intitulé The Large Scale Structure of Spacetime. Leur objectif, disaient-ils, était de comprendre l'espace-temps à l'échelle allant de 10^(-13)cm à 10^28cm ou, en d'autres termes, de la taille des particules élémentaires au rayon de l'univers.

Cela peut sembler ambitieux, mais près de 40 ans plus tard, les cosmologues l'ont à peu près réussi, explique Steve Carlip, physicien théoricien à l'Université de Californie à Davis. Au mieux de notre capacité à mesurer une telle chose, elle se comporte comme une variété riemannienne lisse (3+1) dimension.

C'est pourquoi les physiciens théoriciens ont porté leur attention sur la structure de l'espace-temps à des échelles encore plus petites. Cependant, il y a un problème ici. Pour la plupart, nous n'avons ni observations directes ni cadre théorique généralement accepté pour décrire la structure à très petite échelle de l'espace-temps, explique Carlip. En effet, personne ne sait vraiment si les termes « espace » et « temps » ont un sens raisonnable à cette échelle.

Aujourd'hui, Carlip expose sa propre vision fascinante du problème, à savoir que l'espace-temps à la plus petite échelle peut être bidimensionnel. Bien que cela puisse sembler un peu contre-intuitif, il dit qu'il y a un nombre croissant d'indicateurs (la preuve est un mot trop fort) qui pointent vers cette conclusion.

Carlip dit que les travaux récents sur la gravité quantique en boucle, la théorie des cordes à haute température, l'analyse de groupe de renormalisation appliquée à la relativité générale et d'autres domaines de la recherche sur la gravité quantique, tous suggèrent un espace-temps bidimensionnel à la plus petite échelle. Dans la plupart de ces cas, le nombre de dimensions s'effondre simplement dans un processus appelé réduction dimensionnelle spontanée à mesure que l'échelle se réduit.

Une question évidente est que si seulement deux dimensions sont présentes sur cette échelle, lesquelles sont-elles ? Carlip calcule qu'ils doivent être l'un du temps et l'autre de l'espace. À chaque point, la dynamique choisit une direction spatiale préférée, conduisant à une physique locale approximativement (1+1) dimensionnelle, dit-il.

Il entre alors en territoire intéressant en affirmant que cette direction privilégiée doit être déterminée de manière classique puis randomisée par les processus physiques à l'œuvre à ces échelles. Cela ressemble étrangement à une théorie des variables cachées du type de celle qui pourrait plaire à au moins un physicien lauréat du prix Nobel.

La question à un million de dollars est de savoir si la position de Carlip sur le sujet est correcte. Il admet joyeusement que l'idée est encore très spéculative. Cela ne le distingue pas de manière significative d'une grande partie du reste de la cosmologie moderne.

Cependant, contrairement à de nombreux théoriciens de la gravité quantique, Carlip fait allusion au type d'expériences qui pourraient lui donner raison. Le processus que j'ai décrit brise l'invariance de Lorentz à l'échelle de Planck, et même de petites violations à cette échelle peuvent être amplifiées et conduire à des effets observables à grande échelle, dit-il.

C'est une réflexion intéressante. Ce qu'il dit, c'est que les lois de la physique à cette échelle devraient changer en fonction de la direction dans laquelle vous voyagez. Et bien qu'ils varient constamment de manière aléatoire, cela pourrait toujours être mesurable dans une expérience suffisamment intelligente.

Il est temps pour les expérimentateurs de se remettre en question.

Réf : arxiv.org/abs/1009.1136 : La structure à petite échelle de l'espace-temps

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