La recherche d'une théorie du tout – Les scientifiques mettent Einstein à l'épreuve

Bien avant qu'Archimède ne suggère que tous les phénomènes observables par nous puissent être compris par des principes fondamentaux, les humains imaginaient la possibilité d'une théorie du tout. Au cours du siècle dernier, les physiciens ont réussi à percer ce mystère. La théorie de la relativité générale d'Albert Einstein fournit une base solide pour comprendre l'univers à grande échelle, tandis que la mécanique quantique nous permet de comprendre son fonctionnement au niveau subatomique. Le problème est que les deux systèmes ne s’accordent pas sur le fonctionnement de la gravité.

Aujourd'hui, l'intelligence artificielle offre un nouvel espoir aux scientifiques qui s'attaquent aux énormes défis informatiques liés à la découverte des secrets de quelque chose d'aussi complexe que l'univers et tout ce qu'il contient, explique Kent Yagi, professeur agrégé à l'École des arts et des études supérieures de l'Université de Virginie. La science mène un partenariat de recherche entre physiciens théoriciens et physiciens computationnels de l'Université de Virginie, qui pourrait fournir de nouveaux aperçus sur la possibilité d'une théorie du tout, ou du moins, une meilleure compréhension de la gravité, l'une des forces fondamentales de l'univers. . Ce travail lui a valu une bourse de carrière de la National Science Foundation, l'une des récompenses les plus prestigieuses offertes aux jeunes chercheurs et éducateurs les plus prometteurs du pays.

Des avancées dans l'observation de l'univers

Un aspect de la théorie de la relativité générale d'Einstein est que les objets se déplaçant dans l'espace génèrent des ondes, comme un bateau se déplaçant dans l'eau, mais même lorsque ces ondes sont créées par des planètes, des étoiles, des galaxies ou même des trous noirs, elles peuvent créer les champs gravitationnels les plus puissants possibles. , ils sont toujours… Incroyablement petits. Ainsi, près de cent ans après qu'Einstein ait publié pour la première fois ses idées Ondes gravitationnelles Des moyens technologiques ont été développés pour les surveiller. En 2015, un programme connu sous le nom Légoou Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, l'un des plus grands projets jamais financés par la National Science Foundation, a détecté pour la première fois des ondes gravitationnelles, ce qui a conduit à un prix Nobel de physique pour les chefs de projet.

Le physicien Kent Yagi, professeur agrégé à la Graduate School of Arts and Sciences de l'Université de Virginie, a remporté une bourse de carrière de la National Science Foundation, l'une des récompenses les plus prestigieuses offertes aux jeunes chercheurs et éducateurs les plus prometteurs du pays. Collège et École supérieure des arts et des sciences de l'Université de Virginie

« Cette découverte a été l'un des moments les plus importants de la physique au cours des 100 dernières années », a déclaré Yagi.

À mesure que la technologie nécessaire à l’observation des phénomènes subatomiques a progressé, la puissance de calcul nécessaire au traitement des grandes quantités de données collectées par les astronomes sur l’univers a également progressé. Outre les nouveaux développements dans Apprentissage automatique L’intelligence artificielle a permis ces dernières années aux scientifiques de créer et de tester des modèles mathématiques complexes qui décrivent les phénomènes qu’ils observent à un rythme autrefois inimaginable.

Yaghi étudie les ondes gravitationnelles massives générées par des paires de trous noirs et d'étoiles à neutrons binaires – certains des objets les plus denses de l'univers et qui sont jusqu'à 1 013 fois plus puissantes qu'un aimant de réfrigérateur classique, selon Yaghi – et utilise ces phénomènes pour tester les théories d'Einstein. sur la gravité et sonder les lois fondamentales jusqu'à la physique nucléaire à la recherche d'informations qui pourraient aider à résoudre le fossé entre la théorie d'Einstein et la mécanique quantique.

Financement et sensibilisation de l’éducation

La subvention CAREER, qui apportera 400 000 $ au collège au cours des cinq prochaines années, offrira des opportunités aux étudiants diplômés actuels et futurs intéressés par le développement et l'application d'algorithmes d'apprentissage automatique qui aideront à expliquer et à prédire les observations d'ondes gravitationnelles et nous donneront une vision plus approfondie. compréhension. Comprendre le comportement de la gravité.

Une fois les algorithmes informatiques affinés – un processus qui devrait prendre moins de quelques semaines – Yaghi a déclaré que son équipe sera en mesure de traiter les données collectées par LIGO pour tester la théorie d'Einstein 100 fois plus rapidement.

« La quantité d'espace dans laquelle nous pouvons rechercher ces données sera multipliée par dix », a déclaré Yagi.

L'une des exigences du CAREER Award est que les lauréats intègrent également des projets éducatifs et de sensibilisation communautaire dans leur travail, et une partie du financement créera des opportunités d'emploi pour les étudiants de premier cycle qui travailleront avec Yagi pour développer des programmes éducatifs pour les étudiants du secondaire intéressés par la physique. , qui, espère Yagi, inspirera la prochaine génération de scientifiques lauréats du prix Nobel de CARRIÈRE.

Le défi de prouver les théories

À quel point cela nous rapprochera-t-il de la théorie du tout ?

« Il reste encore beaucoup de problèmes à résoudre », a déclaré Yaghi. « J'espère voir cela de mon vivant, mais je ne veux pas être trop optimiste. »

« Prouver la théorie est presque impossible », a expliqué Yaghi. « Il y aura toujours des erreurs de mesure dans toute expérience, mais nous continuerons d'essayer de voir si nous trouvons des preuves qui réfutent la relativité générale. En même temps, nous continuons de découvrir à quel point cela semble beau et vrai. »

Le travail de Yaghi et l'attention qu'il reçoit ont suscité les éloges de ses collègues et dirigeants de l'Université de Virginie.

« Il y a eu récemment de très grands progrès vers une meilleure compréhension des ondes gravitationnelles, non seulement en tant que prédiction ou concept théorique, mais aussi pour pouvoir les détecter directement », a déclaré Phil Arras, directeur du département d'astronomie de l'Université de Virginie. « Cet effort a ouvert une toute nouvelle fenêtre sur l'univers et nous a donné une nouvelle façon de vérifier nos théories sur l'évolution des étoiles. Les recherches de Kent ont été très importantes pour notre compréhension. »

Despina Lucca, directrice du département de physique de l'Université de Virginie, a décrit Yaghi comme un astrophysicien très respecté doté d'un vaste portefeuille de recherches.

« Kent est un enseignant engagé et un mentor recherché, dont le travail a eu une énorme influence sur de nombreuses disciplines de la physique », a ajouté Luca. « Il ouvre la voie à l'utilisation de l'apprentissage automatique pour tester la relativité générale tout en explorant les propriétés astrophysiques des étoiles à neutrons, et son travail avec des étudiants de l'Université de Virginie dans la création de jeux en ligne intégrant recherche et éducation inspirera les jeunes du monde entier. »

« Le travail du professeur Yagi est exceptionnel », a déclaré Christa Acampora, doyenne du Collège et de l'École supérieure des arts et des sciences. « Nous sommes fiers de l'avoir dans notre faculté, pas seulement en raison de la reconnaissance qu'il a reçue à mesure qu'il fait progresser les sciences. » Les limites de notre compréhension de l'univers mais aussi de son engagement en faveur de l'innovation dans l'enseignement STEM.