Pour étudier l'origine et l'évolution de l'univers, les physiciens s'appuient sur des théories qui décrivent les relations statistiques entre différents événements ou champs dans l'espace-temps, largement appelés corrélations cosmologiques. Les paramètres cinématiques sont essentiellement les données qui spécifient une corrélation cosmologique – les positions des particules ou les ondes de fluctuations cosmologiques.
Les changements dans les corrélations cosmologiques influencés par les variations des paramètres cinématiques peuvent être décrits en utilisant des équations dits différentielles. Ce sont un type d'équation mathématique qui relient une fonction (c'est-à-dire une relation entre une entrée et une sortie) à son taux de changement. En physique, ces équations sont largement utilisées car elles sont bien adaptées à la capture de la nature très dynamique de l'univers.
Des chercheurs de l'Institut d'étude avancé de Princeton, du Leung Center for Cosmology and Particle Astrophysics in Taipei, du Walter Burke Institute de physique théorique de Caltech, de l'Université de Chicago, et du Scuola Normale Superiore en PISA ont récemment introduit une nouvelle perspective pour approcher les équations décrivant comment les corrélations cosmologiques sont affectées par les changements lisses dans les paramètres kinematiques.
Leur article, publié dans Lettres d'examen physiqueintroduit un cadre, appelé «flux cinématique», qui pourrait aider à dériver ces équations différentielles à partir de règles combinatoires de base (c'est-à-dire des principes pour déterminer le nombre de façons dont un certain nombre d'objets dans un ensemble peuvent être organisés ou sélectionnés).
« Nous avons commencé à travailler sur ce document vers septembre 2020 », a déclaré à Issues.fr Guilherme Leite Pimentel, l'un des auteurs du journal. «Notre motivation était de comprendre pourquoi cette structure mathématique – des équations diffférentes dans l'espace cinématique – est devenue en cosmologie.
« Était-ce à cause de la symétrie? Une raison plus simple? Il y avait des soupçons que nous étions en train d'échanger une évolution pour la séparation spatiale – l'idée est que regarder un instantané de l'univers précoce à de longues distances a sondé les premières phases de l'univers – et nous voulions faire cette précision. »
Au cours des dernières décennies, les équations dans l'espace cinématique se sont révélées utiles pour prédire ce qui aurait pu se passer dans les premiers jours de l'univers, plus que des approches qui impliquent de délimiter un calendrier possible et de l'évolution. Comme des approches similaires ont également été utilisées par les physiciens des particules, Pimentel et ses collègues ont tenté d'appliquer certaines des constructions sur lesquelles ils s'appuyaient sur le problème de cosmologie qui était au cœur de leur étude.
« L'histoire racontée dans le journal est survenue lorsque le nombre d'équations a commencé à devenir très grand », a déclaré Pimentel. « Pour garder une trace de ce qui se passe, nous avons décidé de dessiner des images des termes dans les équations, plutôt que d'écrire des formules. Le regard de ces images a finalement clairement indiqué qu'il y avait un motif. Les images avaient une` `vie de leur propre '' et nous pouvions prédire les équations par un simple ensemble de règles qui impliquaient de couper et de colorer les images. »
Dans leurs analyses théoriques, les chercheurs ont d'abord examiné l'espace cinématique d'un corrélateur donné (c'est-à-dire l'outil mesurant la force d'une relation entre deux quantités). Par la suite, ils ont appliqué un ensemble de règles à ce corrélateur.
L'idée a quelques parties: premièrement, nous considérons l'espace cinématique d'un corrélateur donné. Ensuite, nous avons appliqué un ensemble de règles: « Nous l'avons tranché, avons dessiné des tubes (ou, alternativement, les triangulés), puis appliqués une recette apparemment ésotérique de faire pousser ces tubes, de les fusionner, d'absorber, etc. », a expliqué Pimentel.
« Si vous achetez ces règles, vous pouvez prédire tous les termes qui apparaissent dans une famille d'équations mathématiquement cohérente. Les solutions à ces équations – qui ne dépendaient que de la séparation spatiale, ou de la cinématique de les corrélateurs – sont des intégrales dans ce sens, le temps émerge. L'apparition de cette structure laisse entendre que l'évolution du temps. »
Ce travail récent de Pimentel et de ses collègues introduit une approche plus simple pour comprendre et décrire des corrélations cosmologiques complexes. Leur cadre proposé est aligné avec d'autres thèmes ancrés dans la gravité quantique, comme l'utilisation d'observables limites et l'émergence de l'espace-temps, et pourrait potentiellement contribuer à une description intemporelle de la cosmologie.
« Nous avons introduit une nouvelle gamme de techniques pour calculer les premiers corrélateurs cosmologiques de l'univers, empruntant dans d'autres domaines de la physique théorique », a déclaré Pimentel.
« Nous nous attendons à ce que de nombreuses techniques soient largement applicables, au-delà des modèles de jouets que nous avons décrits dans la lettre. L'utilisation des techniques d'autres domaines a déclenché l'intérêt des mathématiciens et des physiciens des particules, qui recherchent des moyens de proposer leur expertise et de contribuer. »
Le récent article de cette équipe pourrait bientôt inspirer d'autres études théoriques s'appuyant sur le cadre qu'ils ont introduit. Pendant ce temps, Pimentel et ses collègues recherchent d'autres exemples dans lesquels leur concept décrit de flux cinématique pourrait apparaître et des modèles plus sophistiqués pourraient considérer dans des recherches supplémentaires.
« Dans nos prochaines études, nous pourrions également appliquer ces techniques à des modèles qui sont plus proches de ce à quoi nous nous attendons à ce que l'univers précoce », a déclaré Pimentel.
« Une autre frontière pour les recherches futures sera de pousser au-delà du terme de premier plan – ce qui signifie, passer des arbres aux boucles – où de nombreux nouveaux défis théoriques et mathématiques apparaissent également.
Écrit pour vous par notre auteur Ingrid Fadelli, édité par Gaby Clark, et vérifié et examiné par Robert Egan – cet article est le résultat d'un travail humain minutieux. Nous comptons sur des lecteurs comme vous pour garder le journalisme scientifique indépendant en vie. Si ce rapport vous importe, veuillez considérer un don (surtout mensuel). Vous obtiendrez un sans publicité compte comme un remerciement.
