Physique des hautes énergies - Théorie hep-th

L'Univers s'étend de plus en plus vite, et l'explication standard est une constante cosmologique positive, c'est-à-dire un vide de Sitter. La théorie des cordes, qui prétend être la gravité quantique, devrait pouvoir décrire un tel vide, mais après des décennies d'efforts, aucune construction fiable n'a vu le jour.

Deux récipients d'eau à des températures différentes sont séparés par une fine cloison. Tant que la cloison est intacte, chaque récipient vit sa vie : dans l'un, l'eau est chaude, dans l'autre, elle est glacée. Mais dès qu'on retire la cloison, les températures commencent à s'égaliser, et finalement les deux récipients atteignent le même état.

La ville est dessinée sur une feuille de papier. Les rues sont les mêmes, les intersections sont à leur place, mais les distances entre les quartiers ont soudainement changé.

Dans les premiers instants après le Big Bang, l'espace s'est étendu à une vitesse prodigieuse. Une infime ondulation quantique, inscrite dans le principe d'incertitude lui-même, repoussait la matière plus fort que toute force connue. Cette ondulation, c'est le principe d'incertitude généralisé, ou GUP.

Un mandat postal n'arrive pas immédiatement, mais après un délai déterminé – et le montant sur le compte du destinataire est supérieur à ce que l'expéditeur a déposé en espèces. C'est à peu près ainsi que fonctionne le nouveau protocole, baptisé téléportation quantique temporelle de l'énergie (TQET).

Au cœur silencieux de l'univers, là où les particules se rencontrent et se séparent, naît un acte d'harmonie pure. Deux bosons de Higgs se croisent et, l'espace d'un instant, forment un tout — et si l'on exige que leur intrication quantique atteigne toujours sa limite, tel un diapason donnant le ton parfait, les équations s'illuminent soudain…

En 2008, un groupe de physiciens a passé des mois de temps de supercalculateur pour calculer une seule grandeur dans la théorie de la gravité quantique.

L'ombre d'un trou noir n'est pas simplement un silhouette sombre. C'est une empreinte de toute la géométrie de l'espace-temps, y compris les effets quantiques les plus subtils.

Dans une chaîne de spins froids étirée le long d'une ligne, l'ordre et le désordre peuvent s'entrelacer en un motif que les règles habituelles ne décrivent pas. Deux états de la matière, deux « ordres », sont séparés par un carrefour où les routes ne se rejoignent pas, mais divergent.

Dans un accélérateur, deux particules de Higgs entrent en collision. Pendant un instant fugace, leurs destins s'entrelacent, puis se séparent, emportant l'information de la rencontre.

Dans la salle de concert de la théorie quantique, une discipline stricte a longtemps régné : on pensait que les opérateurs, ces interprètes de la complexité, ne pouvaient croître qu'à une certaine vitesse.

Au bord de l'espace-temps, là où aboutissent tous les rayons lumineux, vivent des symétries que les physiciens débattent depuis un demi-siècle. On les appelle superrotations : ce sont des transformations de la sphère céleste qui divergent en certains points, comme des tourbillons dans l'hélium superfluide.

Un trou noir dans l'espace anti-de Sitter n'est pas un vide, mais plutôt une casserole d'eau bouillante. Ce fluide possède deux phases : les petits et les grands trous noirs, comme la vapeur et l'eau.

Deux télescopes regardent le même Univers et voient des vitesses différentes. Les mesures locales sur les supernovae donnent 73.04 ± 1.04 km/s/Mpc, tandis que les données du fond diffus cosmologique, dans le modèle standard, prédisent 67.36 ± 0.54.

L'Univers est en expansion, et le rythme de cette expansion est dicté par l'énergie noire, cette force mystérieuse qui accélère la fuite des galaxies.

Une machine thermique, c'est comme un voilier : pour avancer, il lui faut une différence. En général, c'est la différence de température entre les réservoirs chaud et froid. Mais que se passe-t-il si le réservoir lui-même se met en mouvement ?

En relativité générale, le trou noir a longtemps été considéré comme un miroir parfait : quels que soient les champs qui tombent dessus, il ne se déforme pas.

Les ondes gravitationnelles issues de la fusion d'une étoile à neutrons avec un trou noir portent l'empreinte de la dynamique extrêmement complexe de l'espace-temps.

L'électron s'échappe du noyau de tritium avec une énergie de 18,57 keV, laissant derrière lui un partenaire invisible : le neutrino. Si ce neutrino a accès à la cinquième dimension, sa masse se décompose en une tour entière d'états, et chacun d'eux prélève sa part du spectre.

Le chemin vers l'équilibre pour un détecteur quantique évoque une randonnée en montagne : la montée est toujours plus rapide que la descente. Un atome accéléré dans le vide, qui ressent les fluctuations quantiques du champ, chauffe jusqu'à la température d'Unruh.

Il y a cent ans, les équations d'Einstein prédisaient les trous noirs, mais à l'intérieur, la physique se brisait : les trajectoires des particules s'interrompaient à la singularité, ce point de courbure infinie. C'était une impasse, la fin de l'espace-temps.

Un détecteur d'ondes gravitationnelles ne capte pas seulement le grondement des fusions, mais aussi le faible éclat lorsqu'une étoile ou un nuage de gaz plonge dans un trou noir supermassif.

En 1976, Gerard 't Hooft a remarqué que le vide d'une théorie de jauge n'est pas aussi simple qu'il y paraît : il possède une structure topologique qui se manifeste par une susceptibilité topologique non nulle.

L'Univers joue une pièce de théâtre, et le rôle principal est dévolu à l'énergie noire. Pendant longtemps, l'acteur a semblé immuable : la constante cosmologique (l'énergie du vide qui accélère l'expansion de l'Univers) donnait le même ton.

Un système quantique, une fois né, ne l'oublie pas. Même après des dizaines de durées de vie, il reste dans sa désintégration une trace de l'état initial : une queue en loi de puissance qui décroît lentement. Pour deux colorants fluorescents, l'érythrosine B et l'éosine Y, cette queue a pu être observée pour la première fois dans deux canaux spectraux à la fois.

Un trou noir n'est pas seulement une poubelle cosmique, c'est plutôt un coffre-fort à code secret. Pendant des décennies, on a pensé que tout signal envoyé vers l'horizon des événements était partiellement réfléchi : l'espace-temps courbe agit comme un miroir déformant, et une partie de l'énergie repart toujours en arrière.

Chaque soir, dans les archives municipales, l'agent de service range les nouveaux dossiers sur les étagères. Si la journée en a apporté trop, les étagères plient et, le lendemain matin, les archives répondent plus lentement aux demandes. C'est à peu près ainsi que fonctionne la mémoire d'un trou noir : elle ne se contente pas de stocker l'information, elle en ressent physiquement le poids.

Les rayons cosmiques – des particules d'une énergie prodigieuse – filent dans les ténèbres de l'espace intergalactique. Lors d'une collision frontale, leur puissance pourrait se comprimer en un trou noir de la taille d'un atome.

L'Univers primordial était loin d'être parfait : certaines régions s'étiraient plus vite que d'autres, créant des plis et des distorsions. Mais le rebond quantique — le passage de la contraction à l'expansion, provoqué par les lois du monde microscopique — corrige tout.

L'Univers est une piste grandiose sur laquelle les galaxies, telles des voitures, s'éloignent de plus en plus vite. La pédale d'accélérateur est actionnée par la mystérieuse énergie noire.

La méthode de la « double copie » en physique, c'est un peu comme un tour de cuisine : le cuisinier prend une recette de soupe froide et, en doublant les ingrédients, obtient une recette de rôti chaud.

La matière, c'est comme une maison. Dans certaines pièces, l'ordre strict du cristal règne, chaque atome à sa place. Dans d'autres, c'est le chaos de l'hélium superfluide hélium, où les atomes oublient leurs voisins.

L'Univers est rempli d'une masse invisible — la matière noire. Une des hypothèses : ce serait de minuscules trous noirs, nés au moment du Big Bang. Avec une masse d'astéroïde et une taille plus petite qu'un atome, ils traversent les planètes sans laisser de trace.

Les trous noirs vivent rarement dans le vide. Ils sont souvent enveloppés de nuages invisibles de particules de matière noire — si légères qu'elles ne ressentent que la gravité. Quand le nuage est dense, le système évoque un atome géant : un essaim de particules orbite autour du trou noir comme des électrons autour d'un noyau.

D'habitude, on considère que le nombre de dimensions est constant : longueur, largeur, hauteur. Mais dans le monde quantique, même cela peut être changeant. Une nouvelle théorie décrit des systèmes où la dimension n'est pas une constante, mais une propriété quantique capable d'être différente en même temps.

Un trou noir n'est pas un entonnoir sans fond, mais une cocotte cosmique. À l'intérieur, la matière obéit à des lois que nous connaissons bien grâce au comportement de l'eau : selon les conditions, elle évoque de la vapeur bouillante ou un liquide qui refroidit.

Selon une hypothèse physique, notre monde volumique pourrait être une projection d'une surface plane. De cet Univers se détachent parfois de minuscules bulles fermées – des univers miniatures. On les a longtemps cru vides, dépourvus de diversité interne. Il s'avère que l'information qu'ils contiennent est dispersée, comme les éclats d'un miroir brisé.

Selon les lois du modèle standard, un électron obéissant à l'équation de Dirac tremble même au repos complet. C'est le Zitterbewegung — une oscillation d'une amplitude de l'ordre du trillionième de millimètre, comme une toupie sur un axe invisible.

Un trou de ver est un tunnel qui transperce l'espace-temps courbé et relie des régions éloignées de l'univers. Récemment, Juan Maldacena et ses collègues ont proposé un modèle fonctionnel d'un tel ver, basé sur une combinaison particulière de courbure spatiale et de particules quantiques.

Dans le monde familier, il y a trois dimensions. Mais les physiciens envisagent l'existence de directions cachées, repliées sur elles-mêmes. Si l'une d'elles est enroulée en bouteille de Klein — une surface sans intérieur ni extérieur — les lois fondamentales se brisent.