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Science. Notre monde physique macroscopique aurait pu émerger du monde quantique

Si l'on considère, comme la physique quantique nous y invite, qu'un « monde » quantique, sans temps ni espace, est partout présent autour de notre monde, dit macroscopique, il faudrait expliquer comment notre monde, celui de la physique macroscopique, a pu émerger de cet espace quantique. Dès cette émergence, le temps et l'espace caractérisant notre univers sont apparus, ainsi que la gravité.

Dans un second temps, que nous n'évoquerons pas ici, il faudrait s'interroger sur le possibilité que se produisent d'autres émergences, faisant apparaître d'autre mondes physiques. Ceux-ci seraient-ils semblables au nôtre, dotés notamment d'un espace-temps et d'une force de gravité comparables? Et pourrions-nous dans ce cas communiquer avec eux (cf. image, à titre indicatif) ? Une autre question se posera tout de suite: de telles émergences sont-elles exceptionnelles ou se produisent-elles un nombre infini de fois?

Voyons déjà ici la première question, en l'appliquant à la gravité (cf https://www.newscientist.com/article/2156879-space-time-and-gravity-might-be-born-from-the-quantum-world/). Selon la relativité générale d'Einstein, la gravité correspond à la courbure de l'espace-temps. Or dans les années 1990, Juan Maldacena, alors à l'Université de Harvard, avait découvert une relation entre la théorie de la gravité qui décrit un volume d'espace et la théorie quantique des champs (http://www.diffusion.ens.fr/vip/pageC00.html) qui décrit la surface d'un volume sans y inclure la gravité. Depuis cette conjecture, dite de Maldacena, a permis de montrer que l'aire de certains surfaces au sein d'un tel volume est relative à la quantité de quantum entanglement  https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_entanglement ou intrication quantique https://fr.wikipedia.org/wiki/Intrication_quantique entre différentes régions dans la théorie quantique des champs. Deux régions sont intriquées si l'état de l'une ne peut pas être décrit indépendamment de celui de l'autre.

Dans ce modèle, changer le niveau d'intrication entre les surfaces de différentes régions intriquées dans un volume donné peut créer ou détruire l'espace-temps dans ce volume. Ceci suggère l'idée que l'espace-temps émergerait de l'intrication. Cependant dans ce modèle, l'espace-temps n'est pas le même que le nôtre.

Un Espace de Hilbert

Récemment, les chercheurs ChunJuan Cao et Sean Carroll du California Institute of Technology à Pasadena se sont efforcés de calculer l'espace-temps qui selon la physique quantique se trouverait à proximité du système solaire. Cet espace-temps est presque plat mais comporte de petites ondulations dues à des champs gravitationnels faibles.

Pour voir si l 'espace-temps peut émerger de cette description quantique, ils ont utilisé le concept mathématique d'Espace de Hilbert https://fr.wikipedia.org/wiki/Espace_de_Hilbert . Un tel Espace peut être découpé en petites parties, chacune d'elles correspondant à un point dans un espace à 3 dimensions. L'on peut trouver selon eux de l'intrication entre ces petites parties, beaucoup entre certaines et très peu entre d'autres. Ils ont relié ceci à la géométrie en faisant l'hypothèse que plus grande est l'intrication entre deux parties, plus proches l'une de l'autre sont ces parties. Si l'on suppose que le système tout entier est en état d'équilibre, il en résulte qu'accroitre l'intrication dans une région diminue celle dans l'autre.

Ils ont montré que les équations gouvernant la dynamique de l'intrication paraissent semblables à celles de la relativité générale. En d'autres termes, l'espace-temps et la gravité émergeraient de fluctuations quantiques dans l'intrication.

Il est inutile d'ajouter que si ces hypothèses se révélaient fondées, ce qui reste à démontrer sans ambiguïtés, elles offriraient le pont – ou des ponts – si recherchés par la gravitation quantique. Les conséquences philosophiques en seraient considérables.

Pour une approche un peu différente, lire 
 Gravity may be created by strange flashes in the quantum realm

Référence

Bulk Entanglement Gravity without a Boundary: Towards Finding Einstein's Equation in Hilbert Space
arXiv:1712.02803 
Auteurs: ChunJun CaoSean M. Carroll

We consider the emergence from quantum entanglement of spacetime geometry in a bulk region. For certain classes of quantum states in an appropriately factorized Hilbert space, a spatial geometry can be defined by associating areas along codimension-one surfaces with the entanglement entropy between either side. We show how Radon transforms can be used to convert this data into a spatial metric. Under a particular set of assumptions, the time evolution of such a state traces out a four-dimensional spacetime geometry, and we argue using a modified version of Jacobson's "entanglement equilibrium" that the geometry should obey Einstein's equation in the weak-field limit. We also discuss how entanglement equilibrium is related to a generalization of the Ryu-Takayanagi formula in more general settings, and how quantum error correction can help specify the emergence map between the full quantum-gravity Hilbert space and the semiclassical limit of quantum fields propagating on a classical spacetime.

 

 

 

 

 

 

 

20/12/2017
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