Lorsque la lumière blanche passe à travers un prisme, l'arc-en-ciel à l'autre extrémité présente une riche palette de couleurs. Les théoriciens de la Faculté de physique de l'Université de Varsovie ont montré que dans les modèles de l'Univers utilisant toute théorie quantique de la gravité, il doit aussi y avoir une sorte d '«arc-en-ciel», constitué de différentes versions de l'espace-temps. Ce mécanisme prédit qu'au lieu d'un espace-temps unique et commun, les particules d'énergies différentes devraient en éprouver des versions légèrement modifiées.
Nous avons tous probablement vu l'expérience: lorsque la lumière blanche passe à travers un prisme, elle se désintègre pour former un arc-en-ciel. En effet, la lumière blanche est un mélange de photons d'énergies différentes, et plus l'énergie des photons est élevée, plus elle est déviée par le prisme. Ainsi, nous pouvons dire que l'arc-en-ciel survient parce que les photons d'énergies différentes perçoivent le même prisme comme ayant des propriétés différentes. Pendant de nombreuses années, les scientifiques ont suspecté que les particules d'énergies différentes dans les modèles de l'univers quantique détectent essentiellement différentes structures de l'espace-temps.
Les physiciens de Varsovie ont utilisé un modèle cosmologique contenant seulement deux composants: la gravité et un type de matière. Dans le cadre de la théorie générale de la relativité, le champ gravitationnel est décrit par des déformations de l'espace-temps, tandis que la matière est représentée par un champ scalaire (le type de champ le plus simple dans lequel une seule valeur est inhérente à chaque point de l'espace).
«Il existe aujourd'hui de nombreuses théories concurrentes sur la gravité quantique. Par conséquent, nous avons formulé notre modèle dans les termes les plus généraux afin qu'il puisse être appliqué à n'importe lequel d'entre eux. Quelqu'un peut supposer un type de champ gravitationnel - qui en pratique signifie espace-temps - suggéré par une théorie quantique, un autre peut en suggérer un autre. Certains opérateurs mathématiques du modèle vont changer, mais pas la nature des phénomènes qui s'y produisent », explique Andrea Dapor, étudiante diplômée à l'Université de Varsovie.
«Ce résultat est incroyable. Nous commençons par le monde flou de la géométrie quantique, où il est même difficile de dire ce qu'est le temps et ce qu'est l'espace, mais les phénomènes qui se produisent dans notre modèle cosmologique semblent se produire dans l'espace-temps ordinaire », explique un autre étudiant diplômé Mehdi Assaniussi.
Les choses sont devenues encore plus intéressantes lorsque les physiciens ont examiné les excitations du champ scalaire qui étaient interprétées comme des particules. Les calculs ont montré que dans ce modèle, des particules qui diffèrent en termes d'énergie interagissent différemment avec l'espace-temps quantique - tout comme les photons avec des énergies différentes interagissent différemment avec un prisme. Cela signifie que même la structure efficace de l'espace-temps classique est perçue différemment par les particules individuelles, en fonction de leur énergie.
L'apparence d'un arc-en-ciel ordinaire peut être décrite en termes d'indice de réfraction, dont la magnitude dépend de la longueur d'onde de la lumière. Dans le cas d'un arc-en-ciel d'espace-temps similaire, une relation similaire est proposée: la fonction bêta, une mesure du degré de différence dans la perception de l'espace-temps classique par différentes particules. Cette fonction reflète le degré de non-classicité de l'espace-temps quantique: dans des conditions proches du classique, elle tend vers zéro, alors que dans des conditions quantiques vraies, elle tend vers l'unité. Maintenant, l'Univers est dans un état de type classique, donc la valeur bêta est proche de zéro, les physiciens l'estiment comme ne dépassant pas 0,01. Une si petite valeur de la fonction bêta signifie que l'arc-en-ciel de l'espace-temps est actuellement très étroit et ne peut être détecté expérimentalement.
Une étude menée par des physiciens théoriciens de l'Université de Varsovie, financée par des subventions du Centre national des sciences de Pologne, a conduit à une autre conclusion intéressante. L'arc-en-ciel de l'espace-temps est le résultat de la gravité quantique. Les physiciens conviennent généralement que les effets d'un tel plan ne seront visibles qu'à des énergies gigantesques proches de l'énergie de Planck, des millions ou des milliards de fois plus élevées que l'énergie des particules à laquelle le Grand collisionneur de hadrons accélère actuellement. Cependant, la valeur de la fonction bêta dépend du temps, et à des moments proches du Big Bang, elle pourrait être beaucoup plus élevée. À mesure que la version bêta approche de zéro, l'arc-en-ciel de l'espace-temps augmente considérablement. En conséquence, dans de telles conditions, l'effet arc-en-ciel de la gravité quantique peut potentiellement être observé même à des énergies de particules qui sont des centaines de fois plus faibles,que l'énergie des protons du LHC moderne.
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