AdS/CFT vingt-cinq ans d’une révolution conceptuelle de l’espace-temps

La conjecture de la correspondance AdS/CFT suggère que notre univers est un hologramme, ce qui a conduit à des découvertes importantes depuis qu’elle a été proposée pour la première fois voilà vingt-cinq ans.

Il y a vingt- cinq ans , une conjecture secouait le monde de la physique théorique. Elle revêtait l’aura d’une révélation « Au départ , nous avons eu un énoncé magique… sorti presque de nulle part » , se souvient Mark Van Raamsdonk, physicien théoricien à l’université de Colombie - Britannique , à Vancouver, au Canada. L’idée, formulée par Juan Maldacena, de l’Institut pour les études avancées de Princeton, dans le New Jersey, aux États-Unis, laissait entrevoir quelque chose de vertigineux : notre univers serait un hologramme . Tout comme un hologramme en trois dimensions émerge des informations encodées sur une surface en deux dimensions, l’espace-temps en quatre dimensions de notre univers pourrait n’être qu’une projection holographique d’une réalité de dimension inférieure. Plus précisément, Juan Maldacena a montré qu’une théorie à cinq dimensions d’un type d’espace-temps imaginaire, appelé « espace antide Sitter » (AdS), qui inclut la gravité, est à même de décrire le même système qu’une théorie quantique des champs de dimension inférieure portant sur des particules et des champs en l’absence de gravité , appelée « théorie conforme des champs » (CFT, pour son acronyme anglais). En d’autres termes, il a trouvé deux théories différentes décrivant toutes deux le même système physique, ce qui signifie que les théories sont, en un sens, équivalentes – même si elles ont un nombre différent de dimensions et si l’une intègre la gravité tandis que l’autre ne le fait pas Juan Maldacena a alors supposé que cette dualité AdS/CFT pourrait être valable pour d’autres paires de théories, l’une ayant une dimension de plus que l’autre – y compris des théories décrivant un espace-temps à quatre dimensions comme le nôtre. La conjecture était à la fois intrigante et choquante Comment une théorie qui inclut la gravité saurait-elle être la même qu’une théorie ignorant la gravité ? Comment justifier le fait qu’elles décrivent le même univers ? En dépit de son étrangeté, la dualité a largement tenu le coup En substance, elle soutient que ce qui se passe à l’intérieur d’un certain volume d’espacetemps où règne la gravité peut se comprendre en étudiant le comportement quantique de particules et de champs à la surface de ce volume, à l’aide d’une théorie ayant une dimension de moins et où la gravité ne joue aucun rôle. « Parfois, certaines choses sont plus faciles à comprendre dans l’une des descriptions que dans l’autre, et savoir que l’on parle vraiment de la même physique, c’est très puissant » , explique Netta Engelhardt , physicienne théoricienne à l’institut de technologie du Massachusetts (MIT).

Au cours des vingt-cinq années écoulées depuis que Juan Maldacena a lancé l’idée, les physiciens ont utilisé cette puissance pour répondre à la question de savoir si les trous noirs détruisent ou non de l’information, pour mieux comprendre une époque précoce de l’histoire de notre univers appelée « inflation », et pour arriver à la conclusion étonnante que l’espace-temps n’est peut-être pas une entité fondamentale, mais qu’il émerge de l’intrication quantique dans un système de dimension inférieure. Certes, toutes ces avancées concernent l’espace-temps théoriquement plausible anti-de Sitter, qui n’est pas l’espace de Sitter décrivant notre univers, mais les physiciens ont bon espoir de parvenir un jour à une correspondance qui fonctionnerait pour les deux Si cela advenait, l’idée aiderait à élaborer une théorie de la gravité quantique combinant la relativité générale d’Einstein et la mécanique quantique. Elle impliquerait également que notre univers est véritablement un hologramme.

LES ORIGINES DE L’HOLOGRAPHIE

Pour concevoir la correspondance, Juan Maldacena s’est inspiré des travaux réalisés en particulier par le regretté Joe Polchinski, physicien théoricien de l’université de Californie à Santa Barbara. En s’appuyant sur la théorie des cordes, selon laquelle la réalité émerge de la vibration de cordes incroyablement petites, Joe Polchinski avait développé une théorie d’objets appelés D - branes , qui servent de points d’extrémité aux cordes qui ne se referment pas sur elles-mêmes.

Juan Maldacena a examiné la théorie conforme des champs décrivant les D-branes