La science-fiction fait grand usage du voyage dans le temps ainsi que du concept de trous de ver, des raccourcis dans l’espace-temps permettant de contourner la limitation de la vitesse des trajets interstellaires imposée par les lois de la relativité restreinte.
S’agit-il de quelque chose de totalement impossible, sommes-nous condamnés à ne voir des machines temporelles ou des « portes des étoiles » qu’au cinéma ?
Minitrous noirs : une expérience pour les détecter autour de nous
L’espace-temps est-il continu ? N’est-il pas en ébullition permanente à l’échelle de Planck, agité par des fluctuations quantiques faisant apparaître des minitrous noirs et des minitrous de ver tout autour de nous ? Le physicien Jacob Bekenstein a eu une brillante idée pour tenter de le savoir.
Le journal Nature a fait écho à un étonnant article déposé sur arxiv. Son auteur n’est autre que Jacob Bekenstein, le découvreur de l’entropie des trous noirs et l’auteur de la version relativiste de la théorie Mond. La question à laquelle il tente de répondre est ancienne. Elle remonte au moins à la fin des années 1950 lorsque le futur mentor de Bekenstein, le mythique John Wheeler, commençait sa quête d’une théorie unifiée de l’espace-temps, de la matière et des forces, incorporant la mécanique quantique.
Wheeler s’interrogeait alors sur l’effet des fluctuations quantiques sur la structure de l’espace-temps. Par analogie avec la mécanique des fluides, il avait déduit que l’espace-temps devait avoir un aspect d’écume ou d’eau en ébullition à l’échelle de Planck (sur des longueurs de l’ordre de 10-35 m).
De même qu’un océan agité apparaît lisse vu de l’espace, la géométrie de l’espace-temps nous apparaîtrait comme continue et topologiquement simple uniquement parce que la fameuse longueur de Planck est incroyablement petite comparée à un atome d’hydrogène, dont le rayon est de 10-10 m environ.
Mais si l’on disposait d’un microscope suffisamment puissant, par exemple avec les faisceaux de particules d’un accélérateur, on verrait apparaître les turbulences de la gravitation quantique. Elles prendraient la forme de paires de minitrous noirs chargés, de minitrous noirs neutres et même de minitrous de ver apparaissant et disparaissant sans cesse dans le vide, comme les paires virtuelles d’électron-positron responsables de l’effet Lamb. Malheureusement, il faudrait un LHC du diamètre de la Galaxie comme accélérateur assez puissant pour atteindre la résolution spatiale nécessaire à ces observations.
Des tests de la gravitation quantique grâce à l’astrophysique
Les physiciens ne se sont pas découragés pour autant : ils ont réalisé que pour atteindre l’énergie associée à l’échelle de Planck, l’univers était un fantastique accélérateur. Le Big Bang lui-même pouvait avoir laissé des traces de la physique à l’échelle de Planck dans le rayonnement fossile. Une autre fenêtre possible sur cette physique pouvait provenir de l’étude des rayons gamma à très haute énergie.
Des contraintes ont effectivement été obtenues avec les satellites Fermi et Integral, mais sans que la structure en écume de Wheeler ait pu être mise en évidence.
Si l’on en croit Jacob Bekenstein, la mise en évidence d’une possible structure en écume de l’espace-temps pourrait être beaucoup plus simple qu’on le pensait.
La manifestation d’une mer de trous noirs virtuels
Si l’on suppose que le vide autour de nous est rempli de minitrous noirs dont l’horizon des événements est d’une taille comparable à la longueur de Planck et qui apparaissent et disparaissent du fait des fluctuations quantiques de l’espace-temps, un phénomène très simple devrait se manifester.
Voyager à travers un trou de ver
Traverser la galaxie en un clin d’œil, à l’image des héros d’Interstellar, est le rêve ultime de la conquête spatiale. Ce raccourci théorique, baptisé « trou de ver », a longtemps été relégué au rang d’artifice scénaristique ou de curiosité mathématique sans réalité tangible. Pourtant, la donne est en train de changer radicalement.
Grâce aux récentes percées en physique quantique et aux simulations sur supercalculateurs, ce qui semblait impossible devient une hypothèse sérieuse. La science moderne entrouvre enfin la porte de ces tunnels cosmiques, suggérant que la réalité pourrait bientôt rattraper la fiction la plus audacieuse.
L’héritage d’Einstein et la feuille de papier pliée
Pour comprendre comment un tel voyage serait théoriquement possible, nous devons d’abord revenir aux fondations posées par Albert Einstein. En 1915, sa théorie de la relativité générale a révolutionné notre vision du monde. L’espace n’est pas une scène vide et statique, mais un tissu souple et dynamique, capable de se courber sous l’effet de la masse des étoiles et des planètes. Imaginez un immense drap tendu sur lequel vous posez une boule de bowling. Le drap s’incurve. C’est cette courbure que nous percevons comme la gravité.
Vingt ans plus tard, en 1935, Einstein et son collègue Nathan Rosen ont poussé les équations à leurs limites extrêmes. Ils ont découvert que la structure de l’espace-temps pouvait théoriquement se replier sur elle-même de manière si intense que deux régions distinctes finiraient par se connecter. Ils ont baptisé cette connexion le « pont d’Einstein-Rosen ». L’image la plus célèbre pour illustrer ce phénomène reste celle de la feuille de papier. Prenez une feuille, dessinez deux points aux extrémités opposées. La distance pour les rejoindre est longue. Mais pliez la feuille en deux pour que les points se touchent, et percez un trou à travers les deux épaisseurs. Vous venez de créer un raccourci instantané.
En astrophysique, ce raccourci connecte deux points de l’espace-temps, permettant potentiellement de franchir des années-lumière en quelques pas seulement. C’est mathématiquement valide, et c’est là toute la beauté et la frustration de la physique théorique. Les équations le permettent, mais l’univers physique semble s’y opposer farouchement.
Le piège mortel de l’instabilité gravitationnelle
Si les ponts d’Einstein-Rosen existent sur le papier, leur réalisation concrète dans notre univers pose un problème colossal. La gravité, cette même force qui crée le trou de ver, travaille également à sa destruction immédiate. Selon les calculs classiques, un tel tunnel serait incroyablement instable. À la seconde même où il se formerait, les forces gravitationnelles titanesques à l’œuvre le feraient s’effondrer sur lui-même avant que la moindre particule de lumière n’ait le temps de le traverser. Le « goulot » du trou de ver se pincerait, ne laissant derrière lui que deux trous noirs distincts et infranchissables.
Pour maintenir ce tunnel ouvert, pour empêcher les parois de l’espace-temps de se refermer violemment sur le voyageur audacieux, il faudrait une force capable de contrer la gravité. Or, la gravité est une force attractive. Toute la matière que nous connaissons dans l’univers possède une masse positive et attire les autres masses. Pour garder la « gorge » du trou de ver ouverte, nous aurions besoin de l’exact opposé : une forme de répulsion gravitationnelle. C’est ici que les physiciens introduisent un concept qui semble tout droit sorti d’un roman fantastique, mais qui trouve ses racines dans la mécanique quantique. Il nous faut de la matière exotique.
La quête de l’énergie négative et la matière exotique
Le terme « matière exotique » peut prêter à confusion. Il ne s’agit pas d’antimatière, qui est simplement de la matière avec une charge électrique inversée mais une masse positive. La matière exotique requise pour stabiliser un trou de ver doit posséder une densité d’énergie négative. Cela semble violer le bon sens. Comment une énergie peut-elle être « moins que rien » ? Pourtant, la mécanique quantique, qui régit l’infiniment petit, nous montre que le vide n’est pas vide. Il bouillonne de fluctuations d’énergie.
Un phénomène bien réel, appelé l’effet Casimir, prouve que l’énergie négative existe.
En plaçant deux miroirs infiniment proches l’un de l’autre dans le vide, on constate une force d’attraction entre eux. Cette force naît du fait que la densité d’énergie entre les plaques est inférieure à celle du vide extérieur. Nous avons donc, techniquement, créé une zone d’énergie négative.
Kip Thorne, prix Nobel de physique et consultant scientifique pour le film Interstellar, a démontré avec ses étudiants qu’une quantité suffisante de cette énergie négative pourrait tapisser les parois d’un trou de ver. Cette « antigravité » repousserait l’espace-temps vers l’extérieur, maintenant le tunnel ouvert assez longtemps pour qu’un vaisseau puisse le traverser. Le défi reste cependant d’échelle : nous savons créer cette énergie à l’échelle nanoscopique, mais en produire des quantités astronomiques pour maintenir un trou de ver traversable par un humain reste, pour l’instant, hors de notre portée technologique.
La révolution de l’intrication quantique et l’équation ER=EPR
C’est ici que la physique moderne a récemment opéré un tournant fascinant. Pendant longtemps, la relativité générale (qui gère la gravité et les trous de ver) et la mécanique quantique (qui gère les particules) semblaient irréconciliables. Mais une nouvelle hypothèse audacieuse, proposée par les physiciens Juan Maldacena et Leonard Susskind, suggère qu’elles sont les deux faces d’une même pièce. Cette conjecture est connue sous le nom de « ER=EPR ».
ER fait référence au pont d’Einstein-Rosen (le trou de ver). EPR fait référence au paradoxe d’Einstein-Podolsky-Rosen, qui décrit l’intrication quantique. L’intrication est ce phénomène où deux particules deviennent liées de telle façon que l’état de l’une influence instantanément l’état de l’autre, quelle que soit la distance qui les sépare. Maldacena et Susskind proposent que ces deux particules intriquées sont en réalité reliées par un minuscule trou de ver.
Autrement dit, l’intrication quantique est un trou de ver.
Cette idée change tout. Elle signifie que les trous de ver ne sont pas seulement des anomalies gravitationnelles géantes, mais qu’ils pourraient constituer la structure même de la réalité quantique. Si cette théorie se confirme, nous sommes entourés de milliards de micro-trous de ver à chaque instant.
Le défi ne consiste plus à créer un trou de ver ex nihilo, mais à comprendre comment agrandir ou exploiter ces liens fondamentaux de l’univers.
L’expérience historique du processeur Sycamore
La théorie, c’est bien, mais la preuve expérimentale est le juge de paix ultime en science. Récemment, une équipe de chercheurs a utilisé le processeur quantique Sycamore de Google pour tenter une expérience inédite. Ils n’ont pas créé un trou de ver physique capable d’avaler un astronaute, ne nous méprenons pas. Ils ont simulé un système quantique dont le comportement mathématique est strictement équivalent à celui d’un trou de ver traversable.
En manipulant des qubits (les bits quantiques) intriqués, ils ont réussi à faire passer de l’information d’un point du processeur à un autre d’une manière qui correspond aux équations de la gravité dans un trou de ver holographique. L’information a disparu d’un côté pour réapparaître de l’autre, comme si elle avait traversé un raccourci dimensionnel.
Maria Spiropulu, physicienne au Caltech et co-auteure de l’étude publiée dans la prestigieuse revue Nature, a qualifié ce résultat de « téléportation par trou de ver ». Bien que ce soit une simulation analogique, cela confirme que les modèles théoriques que nous utilisons pour décrire ces tunnels spatio-temporels sont cohérents avec les lois de la mécanique quantique. Pour la première fois, nous avons un « bac à sable » expérimental pour tester la physique des trous de ver sans avoir besoin de s’approcher d’un trou noir réel.
Le casse-tête temporel et la protection de la causalité
L’enthousiasme généré par ces découvertes doit toutefois être tempéré par un obstacle logique majeur : le temps.
La relativité nous enseigne que l’espace et le temps sont indissociables. Créer un raccourci dans l’espace revient souvent à créer un raccourci dans le temps.
Si vous traversez un trou de ver pour aller sur une étoile située à 100 années-lumière et que vous revenez quelques minutes plus tard, vous avez techniquement voyagé plus vite que la lumière. Or, selon Einstein, cela équivaut à voyager dans le passé.
Cela soulève des paradoxes terrifiants pour la physique, comme le célèbre paradoxe du grand-père : que se passe-t-il si vous retournez dans le passé et empêchez votre propre naissance ? Stephen Hawking avait proposé la « conjecture de protection chronologique », suggérant que les lois de la physique conspireraient toujours pour empêcher la formation de boucles temporelles fermées. Peut-être que le trou de ver s’autodétruirait par un effet de rétroaction (un larsen d’énergie) dès qu’il deviendrait une machine à remonter le temps.
Cependant, certains modèles récents de trous de ver traversables, notamment ceux basés sur la théorie des cordes ou la métrique de Morris-Thorne, suggèrent qu’il serait possible de voyager dans l’espace sans violer la causalité temporelle, à condition de respecter certaines configurations très précises. Le voyage serait instantané pour l’observateur extérieur, mais le temps s’écoulerait normalement pour le voyageur, évitant ainsi les incohérences logiques.
La création d’un trou de ver macroscopique reste hors de portée technologique et exige des énergies colossales, comparables à celles d’une étoile. Pourtant, l’histoire des sciences incite à l’optimisme : l’impossible d’hier devient souvent la réalité de demain.
En unifiant enfin gravité et mécanique quantique, nous avons cessé de voir les trous de ver comme de la magie pour les considérer comme des solutions physiques valides.
La porte des étoiles est encore close, mais nous avons trouvé la serrure.
Que pensez-vous de cet article ? Partagez autant que possible. L'info doit circuler.
|
Aidez Elishean à survivre. Merci |
