Si nous zoomions de plus en plus avec un microscope super puissant (imaginaire), il s'avérerait que l'espace à la plus petite échelle n'est pas un continuum, mais est composé de parties, appelées quanta. Comment devrions-nous imaginer ces éléments constitutifs de l'espace ?
Nous ne nous attardons généralement pas longtemps sur le concept d'espace. Cela, après tout, n'est que du vide, une toile de fond pour tout le reste. Nous vivons également le temps comme quelque chose d'évident - il continue de tourner. Mais si les physiciens ont appris quelque chose de leur lutte longue et ardue pour rassembler toutes leurs théories en une seule Théorie globale du tout, c'est que l'espace et le temps forment un système si incroyablement complexe qu'ils - tous leurs efforts à regret - ne pourront jamais pleinement comprendre.
Même lorsque l'espace meurt, la science continue sans relâche
À quel point cela deviendrait difficile et compliqué, Albert Einstein avait déjà compris en novembre 1916. Un an plus tôt, il avait formulé sa théorie générale de la relativité, selon laquelle la gravité n'est pas une force transmise à travers l'espace, mais une propriété de l'espace-temps lui-même. Lorsque vous lancez une balle vers le haut, elle revient en arc vers le sol alors que la Terre courbe l'espace-temps autour d'elle, de sorte que les orbites de la balle et du sol se croisent à nouveau. Dans une lettre à un ami, Einstein a parlé des difficultés qu'il a rencontrées en essayant de concilier la relativité générale avec son autre idée originale, la théorie naissante de la mécanique quantique. Pour ce faire, il lui faudrait non seulement déformer l'espace, mais aussi le démonter. Il avait à peine la moindre idée de comment aborder cela mathématiquement. "Comment je me suis déjà débrouillé avec ce problème !" il s'est plaint.
Einstein n'a jamais fait de grands progrès sur ce point. Et même aujourd'hui, il y a presque autant d'idées concurrentes pour une théorie quantique de la gravité qu'il y a de chercheurs sur le sujet. Leurs divergences d'opinion occultent le fait qu'ils sont en parfait accord sur un point :toutes les théories supposent que l'espace peut être retracé à quelque chose de plus profond - une pensée qui rompt radicalement avec la façon dont les scientifiques et les philosophes ont passé les 2 500 dernières années . ont regardé l'espace.
Nous pouvons bien illustrer le problème auquel sont confrontés les physiciens à l'aide d'un aimant de réfrigérateur. Un si petit aimant peut contenir un trombone, même si la gravité de la Terre entière le tire dans l'autre sens. La gravité est plus faible que le magnétisme et également plus faible que les forces électriques et nucléaires. Dans la mesure où il a des effets quantiques, ils sont encore plus faibles. La seule preuve tangible que la gravité a de tels effets quantiques est le fait qu'au tout début de l'Univers, la matière n'était pas répartie parfaitement uniformément, mais en touffes - un motif de taches comme sur la fourrure d'une panthère. Les physiciens et les cosmologistes pensent que ce schéma de repérage est le résultat de fluctuations quantiques du champ gravitationnel.
Pour tester les théories sur la gravité quantique, il est préférable de se tourner vers les trous noirs. "Les expériences en laboratoire ne sont pas possibles dans ce domaine, mais nous pouvons considérer les trous noirs comme des expériences que la nature mène", a déclaré Ted Jackson de l'Université du Maryland. Il fait partie des physiciens théoriciens qui étudient les trous noirs dans l'espoir de prouver ou d'infirmer les théories de la gravité quantique. Que se passe-t-il si vous prenez des équations qui fonctionnent parfaitement dans des conditions de laboratoire et que vous les extrapolez à la situation la plus extrême imaginable ? Peut-être qu'une erreur subtile dans la théorie sera révélée ?
Faire bouillir, couler ou congeler :une molécule H2O ne peut pas faire cela. Et donc les atomes ne sont pas non plus les plus petits morceaux d'espace
La relativité générale prédit que la matière tombant dans un trou noir est comprimée à l'infini à mesure qu'elle se rapproche du centre - une impasse mathématique appelée "singularité". Les physiciens théoriciens ne peuvent rien dire sur la trajectoire que l'objet peut parcourir au-delà de la singularité. La chronologie de l'objet s'arrête là. On peut même se demander si l'on peut encore utiliser le mot « là », car l'espace-temps lui-même, qui définirait le lieu de la singularité, cesse d'exister. Les chercheurs espèrent que la théorie quantique permettra, pour ainsi dire, de pointer un microscope à cet endroit et de découvrir ce qu'il advient de la matière qui tombe dedans.
Au bord extérieur du trou noir, la matière est moins fortement comprimée, la gravité y est plus faible et normalement les lois bien connues de la nature devraient encore s'y appliquer. Mais curieusement, ce n'est pas le cas. Le trou noir est délimité par un soi-disant horizon des événements, un point de non-retour :la matière qui passe l'horizon et tombe dans le trou noir, ne peut pas en sortir. La descente dans le trou est irréversible. Et c'est un problème, car toutes les connaissances connues de la physique fondamentale, y compris la mécanique quantique sous sa forme généralement acceptée, sont réversibles – réversibles, comme disent les physiciens. Nous devrions, au moins en principe, être capables d'inverser le mouvement de toutes les particules et de récupérer ce que nous avions.
À la fin des années 1800, des physiciens étaient tombés sur un mystère très similaire. Ils ont étudié les mathématiques d'un soi-disant radiateur noir ou corps noir - généralement appelé corps noir - représenté sous une forme idéalisée comme une cavité remplie de rayonnement électromagnétique. La théorie de l'électromagnétisme, développée par James Clerk Maxwell, prédit qu'un tel corps noir absorbe tout le rayonnement qui lui tombe dessus et qu'il ne pourra jamais atteindre l'équilibre avec la matière environnante. "Il absorberait une quantité infinie de chaleur d'une source de chaleur maintenue à une température constante", a déclaré Rafael Sorkin de l'Institut Perimeter en Ontario. En d'autres termes, un tel corps noir aurait en fait une température égale au zéro absolu (zéro degré Kelvin). Mais cette conclusion s'est avérée en contradiction avec les observations de corps noirs réellement existants (par exemple un four). S'appuyant sur les recherches théoriques de Max Planck, Einstein a pu démontrer qu'un corps noir peut effectivement atteindre l'équilibre, mais seulement si l'énergie rayonnante est composée d'unités séparées, appelées quanta.
Les physiciens théoriciens tentent de trouver une solution similaire pour les trous noirs depuis près d'un demi-siècle maintenant. Stephen Hawking, récemment décédé, a franchi une étape importante au milieu des années 1970 lorsqu'il a appliqué la théorie quantique au champ de rayonnement autour des trous noirs et a montré qu'ils avaient des températures supérieures au zéro absolu. Cela signifie qu'ils peuvent non seulement absorber de l'énergie, mais aussi en émettre. D'une part, l'analyse de Hawking a ramené les trous noirs dans le domaine de la thermodynamique ancienne et familière, mais d'autre part, le problème de l'irréversibilité n'a fait que s'aggraver. Le rayonnement émis provient de la région juste à l'extérieur de l'horizon des événements d'un trou noir et ne contient aucune information sur ce qui se passe à l'intérieur du trou. C'est de l'énergie thermique aléatoire et chaotique. Si nous inversions le processus et rejetions cette énergie dans le trou noir, la matière qui était tombée dans le trou n'en ressortirait plus. Nous n'obtiendrions que plus de chaleur. Nous ne pouvons pas non plus supposer que la matière primordiale existe toujours, simplement enfermée dans le trou noir, car à mesure que le trou émet plus de rayonnement, il se rétrécit, pour finalement disparaître complètement, si l'analyse de Hawking est correcte.
Ce problème s'appelle le paradoxe de l'information, car le trou noir détruit les informations sur les particules incidentes, et nous aurions besoin de ces informations pour inverser le mouvement des particules. Si la physique des trous noirs est vraiment réversible, il doit y avoir quelque chose qui ramènera l'information hors du trou, et pour rendre cela possible, nous devrons probablement repenser radicalement notre idée de ce qu'est l'espace-temps.
La chaleur est le mouvement aléatoire de parties microscopiques, par exemple les molécules d'un gaz. Étant donné que les trous noirs peuvent devenir plus chauds et plus froids, il est logique de supposer qu'ils ont des parties - ou, plus généralement, une structure microscopique. Et parce qu'un trou noir n'est rien d'autre qu'un espace vide (selon la relativité générale, la matière qui tombe dans le trou traverse l'horizon des événements, mais ne peut pas s'y attarder), les parties du trou noir doivent être des parties de l'espace lui-même. Un morceau d'espace vide peut sembler très simple et direct, mais en réalité, il a une énorme complexité cachée.
Les chercheurs espèrent que la théorie quantique nous permettra d'étudier ce qui arrive à la matière qui tombe dans un trou noir
Même les théories initialement destinées à maintenir une vision conventionnelle de l'espace-temps concluent finalement qu'il y a plus dans la façade terne et discrète. Par exemple, à la fin des années 1970, Steven Weinberg, qui travaille actuellement à l'Université du Texas, a tenté de décrire la gravité de la même manière que les autres forces de la nature. Pourtant, il a découvert que l'espace-temps change radicalement aux plus petites échelles.
Au début, les physiciens imaginaient l'espace à l'échelle microscopique comme une mosaïque de minuscules morceaux d'espace. Ils pensaient que si vous zoomiez sur l'échelle de Planck - une taille incroyablement petite de 10 à 35 mètres - vous verriez quelque chose qui ressemble à un échiquier. Mais cela ne peut pas être tout à fait exact. Pour commencer, le quadrillage d'un échiquier favoriserait certaines directions par rapport à d'autres, conduisant à des asymétries qui entrent en conflit avec la relativité restreinte. Ensuite, par exemple, la lumière de différentes couleurs se déplacerait à des vitesses différentes, un peu comme un prisme de verre, qui plie la lumière de différentes fréquences à différents angles, révélant les couleurs constitutives de la lumière blanche. En général, les effets à l'échelle microscopique sont difficiles à observer, mais ce genre de violation du principe de relativité serait assez évident.
La thermodynamique des trous noirs fournit d'autres arguments pour douter que l'on puisse imaginer l'espace comme une simple mosaïque. En mesurant le comportement thermique d'un système, nous pouvons compter les parties de ce système, du moins en principe. C'est juste une question d'ajouter de l'énergie et de garder un œil sur le thermomètre. S'il monte en flèche, c'est un signe que l'énergie a été répartie sur relativement peu de molécules. En fait, c'est ainsi que l'on mesure l'entropie du système, c'est-à-dire sa complexité à l'échelle microscopique.
Si nous effectuons cette procédure sur une substance ordinaire de tous les jours, le nombre de molécules augmente à mesure que le volume de la substance augmente. Et c'est exactement ce à quoi on s'attendrait. Si nous gonflons un ballon de plage jusqu'à ce que le rayon ait augmenté d'un facteur 10, il contient 1 000 fois plus de molécules. Mais si on augmente le rayon d'un trou noir d'un facteur 10, le nombre de molécules n'augmente que d'un facteur 100. Cela signifie que le nombre de "molécules" qui composent le trou noir n'est pas proportionnel à son volume, mais à son volume, sa surface. Un trou noir peut sembler tridimensionnel, mais il se comporte comme s'il était bidimensionnel.
Cet effet particulier est appelé le principe holographique car il rappelle un hologramme. Un hologramme nous apparaît comme un objet tridimensionnel, mais à y regarder de plus près, il s'avère être une image créée par un objet bidimensionnel, par exemple un morceau de film. S'il est vrai que le principe holographique compte les parties microscopiques de l'espace et de ce qu'il contient (ce que la plupart des physiciens (mais pas tous) supposent), alors créer de l'espace demande plus que de simples petites choses :lier ensemble des morceaux d'espace.
Incidemment, la relation entre la partie et le tout est rarement aussi simple et directe. Une molécule H2O n'est pas simplement un morceau d'eau. Pensez simplement à ce que fait l'eau liquide :elle coule, forme des gouttes, montre des ondulations et des vagues, et elle peut bouillir et geler. Une molécule H2O individuelle ne peut pas faire toutes ces choses :ce sont des comportements collectifs. Ainsi, les blocs de construction qui composent l'espace ne doivent pas nécessairement avoir des dimensions spatiales. "Les atomes de l'espace ne sont pas les plus petits morceaux de l'espace", explique Daniele Oriti de l'Institut Max Planck de physique gravitationnelle à Potsdam, en Allemagne. « Ce sont les parties qui composent l'espace. Les propriétés géométriques de l'espace sont nouvelles, collectives, seulement des propriétés approximativement correctes d'un système composé de nombreux atomes de ce type."
La nature exacte de ces blocs de construction diffère selon la théorie. Dans la théorie de la gravitation quantique à boucle, ce sont des quantums de volume qui sont reliés entre eux en appliquant des principes de la mécanique quantique. Dans la théorie des cordes, ce sont des champs – un peu comme des champs électromagnétiques – qui résident sur la surface décrite par une corde ou une boucle en mouvement (boucle) – les cordes qui donnent son nom à la théorie des cordes. Dans la théorie M, qui est liée à la théorie des cordes et peut la sous-tendre, les blocs de construction sont un type particulier de particules :des membranes qui ont rétréci jusqu'à un certain point. Dans la théorie causale des ensembles, les événements sont liés par un réseau de cause à effet. Et dans la théorie de l'amplituèdre et dans un certain nombre d'autres théories, il n'y a pas du tout de blocs de construction - du moins pas dans le sens conventionnel de ce terme.
Le système qui compose l'espace et le temps est d'une complexité si inimaginable que nous ne le comprendrons peut-être jamais tout à fait
Bien que ces théories emploient des principes d'organisation différents, elles tentent toutes de maintenir une version du soi-disant relationnalisme du philosophe allemand Gottfried Leibniz (1646-1716). D'une manière générale, le relationnalisme soutient que l'espace découle d'un certain modèle de corrélations entre les objets. De ce point de vue, l'espace est comme un puzzle. Vous commencez avec une grande pile de pièces de puzzle, voyez comment elles sont liées les unes aux autres et attribuez-leur une certaine place en fonction de cela. Si deux pièces ont une certaine caractéristique en commun, comme la couleur, il est probable qu'elles vont ensemble. S'ils sont très différents les uns des autres, éloignez-les. Les physiciens imaginent généralement ces relations comme un réseau avec un modèle particulier de connectivité. Les relations sont dictées par la théorie quantique ou par d'autres principes, et l'arrangement spatial suit le mouvement.
Un autre problème qui revient souvent est celui des transitions de phase. Si l'espace est composé de pièces, il peut également être démonté à nouveau. Les blocs de construction pourraient alors s'organiser en quelque chose qui ne ressemble pas du tout à l'espace. "Tout comme la matière a différentes phases - par exemple, les trois états de la matière de l'eau :glace, eau liquide et vapeur d'eau - les atomes de l'espace peuvent également former de nouvelles configurations et présenter différentes phases", a déclaré Thanu Padmanabhan de l'Inter-University of India. Centre d'astronomie et d'astrophysique. On pourrait alors considérer les trous noirs comme des lieux de fusion de l'espace. Les théories actuelles y sont impuissantes, mais une théorie plus globale pourrait décrire ce qui se passe dans cette nouvelle phase. Même lorsque l'espace meurt, la science continue sans relâche.
Une idée importante que les scientifiques ont développée ces dernières années - et qui transcende les anciennes frontières entre différents domaines de recherche - est que l'une des relations pertinentes est ce que l'on appelle l'intrication quantique. L'intrication est un type de corrélation particulièrement puissant qui fait partie intégrante de la mécanique quantique et semble être un phénomène encore plus fondamental que l'espace. Par exemple, supposons qu'un physicien expérimental crée deux particules qui s'envolent dans des directions opposées. Lorsque ces particules sont enchevêtrées, elles restent en phase les unes avec les autres, quelle que soit leur distance.
Jusqu'à récemment, les chercheurs impliqués dans la gravité "quantique" parlaient du fait que tout est composé de quantums discrets, des fluctuations quantiques et de tous les aspects de la théorie quantique que vous pouvez imaginer, mais jamais de l'intrication quantique. Cela a changé lorsque les trous noirs sont entrés en scène et les ont forcés à réfléchir au phénomène d'intrication. De temps en temps, pendant l'existence d'un trou noir, l'un des partenaires d'une paire de particules intriquées tombe dans le trou, tandis que l'autre partenaire reste en dehors de l'horizon des événements. Lorsque le trou noir s'est complètement évaporé, la particule qui n'y était pas tombée est encore intriquée, mais avec quoi ? Avec rien! "Hawking aurait dû appeler son paradoxe de l'information le problème de l'intrication", note Samir Mathur de l'Université de l'Ohio.
Même dans le vide, où aucune particule n'est présente, les champs électromagnétiques et autres sont enchevêtrés à l'intérieur. Si nous mesurons un champ à deux endroits différents, les lectures fluctueront de manière aléatoire, mais coordonnée. Et quand on divise une aire en deux, les parties montrent une corrélation, le degré de corrélation dépendant de la seule grandeur géométrique qu'elles ont en commun, qui est l'aire de leur interface. En 1995, Jacobson a tenté de montrer que l'intrication peut agir comme un lien entre la présence de matière et la géométrie de l'espace-temps – en d'autres termes, que l'intrication peut expliquer la loi de la gravité. "Plus d'enchevêtrement implique une gravité plus faible - c'est-à-dire un espace-temps plus rigide et moins flexible", a déclaré Jacobson.
Les représentants de diverses théories de la gravité quantique - et en particulier les partisans de la théorie des cordes - supposent maintenant que l'intrication est un concept crucial pour intégrer la gravité dans une théorie globale. La théorie des cordes applique le principe holographique non seulement aux trous noirs, mais à l'univers dans son ensemble, fournissant une recette pour créer de l'espace, ou du moins une partie de celui-ci. Par exemple, les champs pourraient traverser un espace à deux dimensions qui, s'ils présentent la bonne structure, peuvent générer une dimension spatiale supplémentaire. L'espace bidimensionnel d'origine agirait alors comme la frontière d'un domaine encore plus grand, appelé espace de masse. Et l'enchevêtrement est le mécanisme qui lie l'espace en vrac en un tout continu.
En 2009, Mark van Raamsdonk de l'Université de la Colombie-Britannique a publié un raisonnement élégant décrivant ce processus. Supposons que les champs à la frontière ne soient pas intriqués - ce sont deux systèmes séparés sans corrélation entre eux, deux univers séparés entre lesquels il n'y a pas de trafic. Lorsque ces systèmes s'emmêlent, c'est comme ouvrir un tunnel - un trou de ver - pour qu'un vaisseau spatial voyage d'un univers à un autre. Au fur et à mesure que l'enchevêtrement devient plus fort, le trou de ver se raccourcit. Les univers se rapprochent de plus en plus - jusqu'à ce qu'à un moment donné, vous ne puissiez même plus parler de deux univers. "L'émergence d'un grand espace-temps est directement liée à l'intrication de ces degrés de liberté de la théorie des champs", explique Van Raamsdonk. Les corrélations que nous observons dans les champs électromagnétiques et autres sont un vestige de l'enchevêtrement qui maintient l'espace ensemble.
Nous pouvons voir l'enchevêtrement non seulement dans la contiguïté, la contiguïté de l'espace, mais aussi dans de nombreuses autres propriétés. Selon Van Raamsdonk et Brian Swingle, actuellement à l'Université du Maryland, l'ubiquité de l'enchevêtrement explique pourquoi la gravité est un phénomène universel qui affecte tous les objets et est indispensable. Et en ce qui concerne les trous noirs, Leonard Susskind de l'Université de Stanford et Juan Maldacena de l'Institute for Advanced Study de Princeton évoquent la possibilité que l'intrication entre un trou noir et le rayonnement qu'il émet crée un trou de ver - une porte dérobée vers un trou noir pour entrer. . De cette façon, les informations pourraient être préservées et la physique des trous noirs pourrait encore être inversée en y regardant de plus près.
Ces idées basées sur la théorie des cordes ne sont applicables qu'à des géométries spécifiques et ne reconstruisent qu'une seule dimension spatiale. Mais il y a aussi des chercheurs qui essaient d'expliquer comment tout l'espace peut surgir de rien. Par exemple, Chunjun Cao, Spyridon Michalakis et Sean Carroll du California Institute of Technology commencent par une description quantique simplifiée d'un système, sans aucune référence directe à l'espace-temps ou même à la matière. Si ce système montre le modèle correct de corrélations, il peut être décomposé en composants qui peuvent être compris comme différentes régions de l'espace-temps. Dans ce modèle, le degré d'intrication définit une notion de distance spatiale.
En physique, et dans les sciences naturelles en général, l'espace et le temps servent de fondement à toutes les théories. Pourtant, nous ne voyons jamais l'espace-temps directement, mais déduisons son existence à partir de nos expériences quotidiennes. Nous supposons que nous pouvons expliquer plus efficacement les phénomènes que nous observons en les réduisant à un mécanisme qui opère dans l'espace-temps. Mais la leçon cruciale que nous pouvons tirer de la gravitation quantique est que tous les phénomènes ne s'intègrent pas parfaitement dans l'espace-temps. Les physiciens devront trouver une nouvelle structure qui sous-tend tout. En cas de succès, la révolution qui a commencé il y a un siècle avec Einstein sera complète.
