En physique, la symétrie désigne la conservation des lois physiques, ou de certaines quantités, sous des transformations ou des opérations. Depuis de nombreuses années, les théoriciens sont convaincus que les lois fondamentales décrivant notre Univers, des étoiles aux particules, reposent nécessairement sur des symétries. Cependant, la gravité pourrait échapper à cette règle. En effet, deux physiciens ont montré qu’à l’échelle quantique, la gravité ne présente aucune symétrie. Si cette conception s’avère correcte, les modèles théoriques actuels s’astreignant à décrire la gravité quantique devraient être modifiés.
Il existe quatre interactions fondamentales : l’électromagnétisme, les interactions nucléaires forte et faible, et la gravité. La gravité est la seule force ne possédant pas encore de description au niveau quantique. Ses effets sur les grands objets, tels que les planètes ou les étoiles, sont relativement faciles à décrire, mais les choses se compliquent quand les effets de la gravité se manifestent à l’échelle quantique.
Le principe holographique pour décrire la gravité à l’échelle quantique
Pour essayer de comprendre la gravité au niveau quantique, Hirosi Ooguri, directeur de l’Institut Kavli pour la physique et les mathématiques de l’univers à Tokyo, et Daniel Harlow, professeur adjoint au Massachusetts Institute of Technology (MIT), ont commencé avec le principe holographique. Ce principe explique les phénomènes tridimensionnels influencés par la gravité sur un espace plat bidimensionnel non influencé par la gravité.
Ce n’est pas une représentation réelle de notre univers, mais elle est suffisamment proche pour aider les chercheurs à étudier ses aspects fondamentaux. Des travaux antérieurs de Harlow et d’autres avaient trouvé une analogie mathématique précise entre le principe holographique et les codes de correction d’erreur quantique, qui protègent les informations dans un ordinateur quantique.
Ooguri et Harlow ont montré que ces codes de correction d’erreur quantique ne sont compatibles avec aucune symétrie, ce qui signifie que la symétrie ne serait pas possible en gravité quantique.
Mieux comprendre la gravité quantique et son absence potentielle de symétrie
Ces travaux ont commencé il y a plus de quatre ans, quand Ooguri a découvert un article sur l’holographie et sa relation avec les codes de correction d’erreurs quantiques par Harlow, qui était alors post-doctorant à l’Université de Harvard. Peu de temps après, les deux se sont rencontrés à l’Institute for Advanced Study de Princeton, lorsque Ooguri était en congé sabbatique et qu’Harlow est venu donner un séminaire.
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« Je suis allé à son séminaire, préparé avec des questions. Nous avons beaucoup discuté par la suite, puis nous avons commencé à penser que l’idée qu’il avait développée pouvait peut-être être utilisée pour expliquer l’une des propriétés fondamentales de la gravité quantique, à propos du manque de symétrie » explique Ooguri.
Leur résultat a plusieurs conséquences importantes. En particulier, il prédit que les protons sont stables et ne se désintègrent pas en d’autres particules élémentaires, et qu’il existe des monopôles magnétiques.
Bien que les deux théoriciens aient apporté une preuve théorique de l’absence de symétrie dans le cadre de la gravité quantique, ce travail préliminaire doit encore être approfondi. Si ces travaux ont été globalement bien accueillis par leurs pairs, les chercheurs rappellent que le cadre théorique qu’ils ont utilisé doit être développé plus avant.