Category Archives: Cosmologie

Information, réalité fondamentale de l’Univers… ?

L’information fait partie de notre quotidien, elle en est même l’élément central. Rien n’est possible sans la récolte, le traitement et la transmission d’information, quel qu’en soit les moyens. Et pourtant aucune des grandes théories de la physique, mécanique quantique ou relativité, ne définissent la notion d’information – ni même ne proposent de manière de la mesurer. En outre l’information a une caractéristique particulière qui est la contrafactualité: un message est sans information si un message alternatif n’est pas possible. On doit toujours pouvoir poser la question « Et si… » .

L’information est habituellement considérée comme une abstraction, dont la transposition dans le monde réel reste approximative. Pourtant il existe de nombreux indices indiquant que l’information est en elle-même un quantifié physique fondamentale, obéissant à des lois précises. Au 19ème siècle Ludwig Boltzmann développait la physique statistique, qui permet par exemple d’interpréter les notions de chaleur et d’entropie comme l’ensemble des distributions possibles d’atomes composant un niveau d’énergie donné, Dans les années 1970, Jacob Bekenstein et Stephen Hawking découvraient une correspondance entre l’entropie d’un trou noir et sa surface, d’où l’idée que l’information doit correspondre à une quantité exacte.

La préservation de l’information est un postulat fondamental de la physique quantique, lié à la notion de fonction d’onde – une définition statistique de la matière réversible dans le temps – et qui impose que l’information soit toujours conservée sans quoi la réversibilité devient impossible. Et comme je le présentais dans ce récent article « De la réalité de la fonction d’onde« , il semblerait (le conditionnel reste de rigueur) que cette fonction d’onde ne soit pas une modélisation simplificatrice d’une réalité sous-jacente, mais bien la réalité elle-même – validant de ce fait la nécessaire conservation de l’information. Ce qui ne va pas sans créer d’autres problèmes, j’en ai proposé une illustration dans cet article « L’Univers et le paradoxe des trous noirs » que je vous invite à parcourir si le sujet vous intéresse!

Dans le domaine computationnel on se réfère à l’information de la même manière que les lois de la thermodynamique se réfèrent à l’énergie, sans définir le support physique sous-jacent. Mais ces lois computationnelles sont liées aux lois de la physique: elles sont par exemple différentes entre le modèle de l’ordinateur classique et l’ordinateur quantique. Et donc, si les lois computationnelles sont des lois physiques, il doit en être de même pour les lois de l’information. Mais qu’elles peuvent être ces lois? Comment rendre physique ce qui n’est a priori qu’une abstraction?

Pour les physiciens David Deutch et Chiara Marletto, on y arrive en démontrant que toutes les lois de la physique peuvent s’exprimer sous la forme de catégorisation de tâches – de transformations physiques – selon qu’elles sont possible ou non, et pourquoi. Autrement dit, tout phénomène physique repose sur des lois qui ne sont, fondamentalement, « que » des listes de conditions, aussi appelé « constructeur ». Un phénomène est possible dès lors qu’il existe un « constructeur », quelque chose qui peut causer le phénomène et en garder la mémoire pour une exécution ultérieure. C’est ce que l’on nomme la théorie Constructeur ou Constructor Theory.

Dans cette théorie, les déclarations contrafactuelles sont les éléments fondamentaux du réel et leurs usages, tel la copie, sont exprimés sous forme de tâches. Donc dans ce modèle les propriétés associées à l’information apparaissent sous la forme de lois physiques. Et les constructeurs sont des éléments du réel, comme le dit par exemple cet article de InternetActu « Vers une physique de l’information« : « Un constructeur est un dispositif capable, si on lui donne un input A, de produire un résultat B, et surtout, une fois cette transformation effectuée, de recommencer la même tâche. Une machine à vapeur est un tel constructeur, mais on en trouve aussi dans la nature, comme les ribosomes au cœur de la cellule, ou plus généralement, les catalyseurs dans le domaine de la chimie. Il existe plusieurs sortes de constructeurs. Certains sont capables de changer la nature de leur travail en fonction d’instructions fournies par l’extérieur : ce sont des constructeurs programmables. C’est le cas par exemple des ribosomes. D’autres constructeurs ont la capacité de copier les caractéristiques du système d’entrée : ce sont des médias d’information.« .

Une implication fondamentale de cette vision du monde est que la notion de connaissance peut s’exprimer de manière objective, en tant qu’information à même d’agir sous la forme d’un constructeur. Comme, par exemple, un système d’automate contrôlant une usine. Il est, dans la vision traditionnelle de la chose, impossible de décrire dans ce cas la notion de connaissance: on ne peut décrire que ce qui se passe et ce qui ne se passe pas dans l’usine. Du point de vue de la théorie du constructeur, il faut raisonner en termes de ce qui est possible. Et pour toute tâche possible, l’explication de pourquoi elle est possible est une description de comment la connaissance pourrait être créée et appliquée à la création d’un constructeur pour cette tâche.

boi_cover_largeAu-delà de la prise de tête qu’implique le déchiffrement d’une telle théorie, son aspect le plus fondamental d’un point de vue philosophique est le déplacement de « l’être conscient » depuis la périphérie de la physique, où il n’est qu’un observateur de ce qui se passe avec ou sans lui, au centre de la réalité: la détermination de ce qui est possible passe par la connaissance et donc une forme d’intelligence. Et selon David Deutsch lui-même, dans son ouvrage « The beginning of Infinity »:

L’histoire de la manière dont se produit une transformation est celle de la connaissance qui pourrait être générée et appliquée pour la provoquer. Une partie de cette histoire, dans la plupart des cas, est celle de la façon dont les gens (les êtres intelligents) créent cette connaissance et de la raison pour laquelle ils choisissent d’appliquer celle-ci d’une certaine manière, tout en rejetant ou modifiant d’autres approches (donc la connaissance morale est déterminante). Par conséquent, du point de vue de la théorie du constructeur, la physique devient presque entièrement la théorie des effets que la connaissance (…) peut exercer sur le monde physique, via les gens. »

Cette position très anthropocentrique invite d’autres questions, que j’essaierai de présenter dans un prochain billet: la capacité de connaissance est-elle nécessairement une propriété émergente de la conscience? Et concernant la conscience elle-même, est-elle une propriété émergente de la complexité, ou une caractéristique intrinsèque à toutes choses de l’Univers? A un extrême, les constructeurs seraient définis par des « êtres » complexes, conscients et intelligents et donc il faudrait se poser la question de l’origine du premier constructeur ayant permis l’avènement de ces « êtres ». A l’autre extrême, les constructeurs pourraient survenir n’importe où et n’importe quand dans le champ universel de la conscience, et du point de vue de la Nature les termes « conscience » et « information » seraient peut être de parfaits synonymes.

 

Sources:

http://www.newscientist.com/article/mg22229700.200-reconstructing-physics-the-universe-is-information.html?full=true#.VOW5G_mG-iA

http://www.internetactu.net/2014/06/13/vers-une-physique-de-linformation/

http://monindependancefinanciere.com/lenciclopedie/seccion-l/la-theorie-de-constructeur.php

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Apollo et le mystère des Hasselblads de contrebande

The Data Acquisition Camera was designed to capture footage of final approach, Neil Armstr...

En mars 2014 eu lieu la vente aux enchères d’une caméra Hasselblad 16 mm ayant voyagé sur Apollo 15 en 1971. Cette caméra était à l’époque vantée comme étant la seule caméra au monde ayant fait l’aller-retour entre la Terre et la Lune, la procédure normale étant d’abandonner tout le matériel inutile au retour dans le module lunaire. Elle avait pu bénéficier de la grâce « nasanienne » du fait d’un problème technique ayant empêché son abandon.

Ça, c’est la théorie. Mais apparemment tous les astronautes ne respectaient pas nécessairement cette règle. Pas plus tard que cette semaine nous avons appris que la femme de feu Neil Armstrong, premier astronaute a avoir foulé le sol lunaire en 1969 avec Apollo 11, décédé en 2012, avait retrouvé dans un banal sac plus de 4 kg d’objets récupérés de la mission d’Apollo 11 – dont une caméra Hasselblad 16 mm (en photo ci-dessus). Ces objets étaient supposés être restés sur le module lunaire Eagle, et s’être écrasés avec ce dernier sur la Lune. Pourquoi avoir gardé ces « souvenirs », pourquoi ensuite les cacher et n’en parler à personne pendant les 45 années entre son retour de la Lune et son décès, nul ne semble le savoir. Mais le cas Armstrong n’est pas le seul! Read more

100 milliards de planètes, et nous et nous et nous?

La question de l’existence des extraterrestres est un marronnier qui existe sans doute depuis le jour où l’Homme, ancien voir très ancien, s’est posé la question de la nature de ce ciel étoilé qu’il apercevait chaque nuit. Plus près de nous, au début des années 50 le physicien Enrico Fermi se demandait pourquoi, au vu des centaines de milliards d’étoiles au sein de notre propre galaxie (qui n’en est qu’une parmi des milliards d’autres), personne ne nous rendait visite? La question est d’autant plus prégnante que nous savons aujourd’hui qu’il existerait – selon du moins cette étude de l’Australian National University – de l’ordre de 100 milliards de planètes habitables dans notre galaxie. Planètes habitables selon notre définition anthropocentrique, c’est-à-dire avec juste la bonne température pour y maintenir de l’eau à l’état liquide. Ce qui n’empêche pas, en plus, l’existence possible de vie sur des planète a priori non habitables mais dont la chaleur interne pourrait permettre à l’eau liquide d’exister sous une épaisse banquise – comme c’est sans doute le cas sur Europa, une lune de Jupiter. Mais contentons-nous pour l’instant des 100 milliards de possibles Terres. Read more

Physique quantique, fenêtre sur les mondes fantômes?

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Voilà près d’un siècle que la mécanique quantique décrit de manière précise le monde probabiliste de l’infiniment petit, sans que l’on puisse savoir si cette approche décrit une réalité fondamentale, le monde tel qu’il est, ou s’il ne s’agit « que » d’une approximation d’une réalité plus profonde dont la vraie nature nous échapperait encore totalement.

La question est d’importance car la réalité telle que nous la percevons, au niveau des particules, est très différente de la réalité matérielle dite classique qui nous entoure à chaque instant. Dans le monde classique notre chat est soit vivant soit mort, dans le monde quantique il est les deux à la fois tant que quelqu’un n’est pas venu vérifier. De même, la lumière a à la fois des propriétés de matière et des propriétés d’onde, sans que l’on sache si cette double propriété quantique (insensée du point de vue classique) est intrinsèque, ou le fait d’autres facteurs qui nous échappent. Read more

Un autre MOND est possible!

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J’ignore si George Lucas y pensait en inventant le côté sombre de la Force pour Star Wars, mais le monde des vraies étoiles est supposé être également doté de son côté sombre: la matière noire et l’énergie noire. Plusieurs articles de ce blog en parlent déjà, mais le but de celui-ci est de faire connaissance avec une hypothèse que l’on pourrait appeler « effet Jedi »: une solution ne nécessitant pas ce côté sombre pour expliquer la formation des galaxies – hypothèse dont le vrai nom est MOND (MOdifyed Newtonian Dynamics, ou Dynamique Newtonienne Modifiée), inventée en 1981 par le physicien israélien Mordehai Milgrom. Read more

De l’origine des origines

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En ces temps de célébration des origines d’une certaine vision du monde, il est peut être approprié de faire un petit tour du côté de l’origine des origines d’un monde que ni la religion, ni la science n’arrivent à décrire et à expliquer de manière complète et convaincante. Au contraire, la montée du simplicisme religieux, du créationnisme chrétien(1) au fondamentalisme islamique, fait écho à l’incertitude existentielle qui ronge la maison scientifique depuis quelques décennies avec la réalisation de l’irréalité du modèle matérialiste, déterministe et fondamentalement connaissable de l’univers. Non pas que l’on ne découvre plus rien, bien au contraire: on découvre de plus en plus, mais ces découvertes ne font qu’ajouter à la complexité, elles posent le plus souvent plus de questions qu’elles n’en résolvent. Read more

L’Univers et le paradoxe des trous noirs

Le concept de « trou noir » date de Newton mais fut formalisé au début du XXème grâce à la Relativité d’Einstein. Jusque dans les années 70, le trou noir fut simplement considéré comme un corps suffisamment dense pour empêcher toute forme de matière ou de rayonnement de s’en échapper, d’ou son nom. Si le Soleil se transformait soudainement en trou noir, son rayon ne ferait plus que 3 km, pour une masse identique! L’inimaginable densité de la matière sous cette forme créerait au centre du trou noir une singularité, une zone où les lois de la physiques ne sont plus les mêmes qu’ailleurs. Donc le trou noir pouvait se résumer à une espèce de cul-de-sac intersidéral à sens unique, planqué au coeur des galaxies ou se promenant dans l’Univers.

Arrivent la physique quantique et Stephen Hawking, qui en 1974 démontra qu’un trou noir rayonne malgré tout, le fameux Rayonnement de Hawking. Qui dit rayonnement dit perte d’énergie et il devenait alors possible que les trous noirs s’évaporent avec le temps. Mais là se cache un grave problème associé à la notion d’information, qui selon tout ce que nous pensons savoir aujourd’hui de la nature quantique de l’Univers, ne se perd pas. Dans le modèle pré-Hawking, l’information (sous forme de rayonnement ou de quoi que ce soit) qui arrivait à l’horizon du trou noir s’y retrouvait enfermée pour l’éternité, mais n’était pas perdue pour autant: elle existait toujours sous une forme ou sous une autre à l’intérieur du trou noir. Mais s’il y a évaporation, cela signifie que l’information finira par disparaître avec la disparition du trou noir. Or, l’un des piliers de la physique quantique est que l’information ne disparaît pas. Paradoxe.

Les chercheurs tentent depuis toujours de trouver une réponse à ce paradoxe. On a pensé que l’information se condensait au fur et à mesure de l’évaporation, mais en ce cas des mini-trous noirs devraient se créer très facilement un peu n’importe où, ce qui n’est visiblement pas le cas. On a pensé à des manières qu’aurait trouvé la matière (porteuse d’information) pour s’échapper malgré tout d’un trou noir, mais sans succès. Sauf à reconsidérer la nature de la radiation de Hawking, qui peut-être n’était pas si parfaitement aléatoire (donc, dénuée d’information) que cela. Cette approche fut particulièrement développée en 1997 par Juan Maldacena qui utilisa la théorie des cordes pour montrer que, dans un cadre bien précis au moins, les principes de la physique quantique s’appliquent également à la surface d’un trou noir et donc, l’information ne se perd pas. Cette démonstration semble si puissante que Hawking lui-même, qui avait parié quelques année plus tôt avec le physicien John Preskill que l’information devait disparaître, s’admis vaincu et offrit en 2004 une encyclopédie de baseball à Preskill (qui la compara à un trou noir: lourde et difficile à comprendre).

Mais le paradoxe n’en fut pas résolut pour autant, et Hawking pourrait bien demander un de ces jours qu’on lui rende son encyclopédie. En effet, si l’information est conservée (donc, capable de s’échapper du trou noir), il y a un coût associé qui pose lui-même problème.  Pour comprendre cette question il est d’abord nécessaire de revisiter le principe fondamental d’ntrication quantique.

Deux particules (ou systèmes) placés en état d’intrication quantique sont corrélés indépendamment de la distance qui les sépare. On peut dire que ces deux systèmes sont deux facettes d’un même super-système qui est définit par une « fonction d’onde » elle-même réversible dans l’espace comme dans le temps. L’état intriqué existe à partir du moment ou ces deux particules ou systèmes ont une origine commune, par exemple le résultat d’une collision. Ce concept est à la base de développements tels l’ordinateur quantique ou la cryptographie quantique, ce n’est donc pas une théorie mais la description d’une réalité observable. De plus l’intrication est monogame (une particule ne peut pas faire partie de deux système en même temps).

Cela acquis, imaginons deux particules intriquées, Alice et Bob, qui s’approchent d’un trou noir. Alice décide d’y plonger, Bob observant de l’extérieur. Que se passe t’il? Selon les postulats généralement acceptés, il se passe trois choses: l’intrication entre Alice et Bob est maintenue (postulat de la conservation de l’information), Bob ne peut pas recopier toute l’information relative à Alice avant qu’elle ne disparaisse (principe de l’impossibilité du clonage quantique), et Alice tombe « normalement » vers le trou noir (principe d’équivalence, abordé dans ce précédent billet)

Mais, Hawking a démontré que si l’information est effectivement conservée (et donc, l’intrication entre Alice et Bob est maintenue), les particules sous l’horizon du trou noir grimpent vers des niveaux énergétiques très élevés dès que de l’information est transférée vers leur partenaire extérieur. Donc selon ce modèle, le trou noir est entouré sous son horizon d’un cercle de feu (firewall) impassable avec une température de 10EXP32 kelvin, carbonisant toute matière s’y aventurant!

Cette idée de barbecue cosmique dérange la communauté des physiciens, et pourtant il n’y a pas de solution évidente: soit on accepte la perte de l’information et Alice disparaît tranquillement (et on remet en cause la physique quantique) soit on reconnaît que l’information ne disparaît pas mais on accepte le barbecue.

Ce problème amena un groupe de chercheurs (dont Giddings, Polchinski, Marolf), après avoir tenté sans succès de se débarrasser du barbecue, à revoir les postulats initiaux et ils publièrent en juillet dernier un papier démontrant que les trois postulats ci-dessus ne peuvent être vrais en même temps. Coup de tonnerre dans le petit monde de la physique théorique! Mais pas si surprenant que cela car cette démonstration ne fait que remettre sur le tapis le problème de l’incompatibilité entre le modèle quantique et le modèle relativiste. En effet le principe d’équivalence est issu du modèle relativiste d’Einstein, les deux autres du modèle quantique et l’on sait que ces deux modèles ne s’accordent pas sur la question de la gravité – élément central du phénomène du trou noir.

Si la relativité est correcte, il ne peut pas y avoir de barbecue (l’horizon du trou noir est constitué d’espace-temps normal), et donc la radiation de Hawking ne contient pas d’information, donc l’information est perdue, donc il faut revoir la physique quantique. A l’inverse, si l’horizon du trou noir représente une frontière physique (un barbecue ou autre chose permettant de maintenir les fondements quantiques) il faut revoir la relativité.

Ce paradoxe taraude de nombreux chercheurs et les oblige à reconsidérer en détail un certain nombre d’hypothèses. Le grand Leonard Susskind, par exemple, se demande si la singularité supposée située au coeur du trou noir ne migrerait pas vers son horizon, affectant ainsi dramatiquement toute matière y pénétrant. Autre version, l’espace-temps se terminerait à l’horizon du trou noir, et rien n’existerait à l’intérieur. Ou le principe que rien ne peut aller plus vite que la lumière n’est pas universel (ce qui permettrait une communication entre l’intérieur et l’extérieur du trou noir via l’horizon). Ou que l’on a tout faux, que la gravité n’existe pas et qu’il faut trouver autre chose.

Susskind et Maldacena, entre autres, ont également travaillé sur le principe holographique,  une approche spéculative considérant que la notion de volume est une illusion et que les lois physiques fondamentales agissent au niveau des surfaces. Cette approche très riche et stimulante a été décrite sur ce blog dans cet article notamment.

Comme le dit Preskill, « toutes les options sont folles, et c’est ce qui rend la situation si formidable« .

 

Sources:

Simons Fondation

New Scientist

 

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