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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.

Du point de vue quantique, les objets ont des états superposés qui ne se “condensent” en un seul état final que suite à une interaction avec un observateur. Cette superposition, appelée “fonction d’onde”, est décrite mathématiquement par l’équation dite de Schrödinger (également propriétaire du chat en question). Mais ces états superposés, cette fonction d’onde, sont-elles la réalité ou juste un modèle mathématique d’autre chose?

Dans les années 50, le physicien Hugh Everett proposait de sortir de l’impasse en imaginant qu’à chaque fois qu’un choix quantique s’effectuait (donc que la fonction d’onde se condensait en un état final, classique), l’univers se divisait et dans l’un on observait la solution A (le chat vivant), et dans l’autre, la solution B (le chat mort). Et ainsi ad infinitum, chaque nouvel univers vivant ensuite sa vie sans autres interactions avec ses congénères. Donc ici la fonction d’onde existe en tant que réalité, mais elle ne “choisit” pas son état final: tous les états coexistent dans des univers différents. Cette explication, qui pourtant ne fait pas dans la demi-mesure, ne résout néanmoins pas tous les problèmes logiques (sans parler des problèmes philosophiques!): par exemple, dans un multi-univers (ou multiverse, en anglais) composé d’une infinité d’univers, la notion de probabilité n’a plus de sens vu que tout ce qui peut arriver est déjà arrivé. La recherche d’autres explications, d’autres réalités sous-jacentes à la perception quantique du monde a donc continué.

L’une d’elle vient de faire parler d’elle: basée sur une variation de la vision d’Everett, elle postule qu’il existerait en fait non pas une infinité d’univers parallèle se divisant à chaque choix quantique, mais à l’inverse que les phénomènes quantiques que nous observons seraient le fruit d’interactions entre notre monde et un nombre fini de mondes parallèles, un peu comme des fantômes agissant discrètement sur notre monde, comme nous (ou plutôt, nos particules) sur les leurs. Terminé donc avec la fonction d’onde, les états superposés et les équations insolubles: quand par exemple nous observons, dans le cadre de la fameuse expérience des fentes de Young où des photons (éléments de matière) passent au travers de deux fines ouvertures pour produire un schémas d’interférences de type ondulatoire, ce n’est plus parce que nos photons sont dotés simultanément de ces deux propriétés, mais parce que les photons alter-ego au sein des autres univers “bousculent” les nôtres et induisent ainsi une apparence de comportement ondulatoire. Et en plus, selon les calculs effectués par les tenants de cette théorie dont Howard Wiseman de l’Université de Griffith, Australie, il suffirait de 41 mondes parallèles pour obtenir cet effet.
Autre exemple, le fait que dans notre monde quantique les électrons ne tombent pas vers le noyau atomique (comme le voudrait le modèle classique) pourrait s’expliquer par les interactions avec les électrons alter-ego des mondes parallèles, les maintenant ainsi en une apparence de suspension.

Plus largement, pour qu’une telle théorie soit fondée, il faudrait qu’elle puisse arriver aux mêmes résultats que la mécanique quantique (qui est très précise et rigoureuse). C’est loin d’être déjà le cas, mais un premier pas important a été fait. Et cette approche, si elle est correcte, devrait permettre de démontrer l’existence réelle de ces mondes parallèles, voir même leur nombre exact!
En ce cas, on toucherait peut être à la réalité fondamentale, ou du moins à celle sous-jacente au comportement quantique que nous observons. Et en principe, une forme de communication pourrait même s’établir vers ces mondes parallèles… mais avec qui?

A suivre…

 

 

Sources:
NewScientist, volume 224, novembre 2014
Physical Review X, doi.org/wtw

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

 

L’énergie noire, une forme de magnétisme ancien?

En 2011, les physiciens Saul Perlmutter,  Brian P. Schmidt et Adam G. Riess partageaient le Prix Nobel de Physique pour leur découverte de l’accélération de l’expansion de l’Univers. Datant de la fin des années 90, cette découverte remettait en question une croyance encore aujourd’hui profondément ancrée dans nos esprits: sous l’influence de la gravité, l’Univers devait bien à un moment ou un autre arrêter son expansion, voir se contracter pour terminer dans un “big crunch” d’où tout, peut être, recommencerait. Mais non, l’Univers est toujours en expansion et cette expansion s’accélère.  Toutes les galaxies s’éloignent les unes des autres et un jour, dans quelques dizaines de milliards d’années, le ciel sera vide d’étoiles et nos éventuels descendants, seuls à jamais. Read more

Et si le Temps n’était pas la 4ème dimension de l’Univers?

Voici 106 ans Einstein établissait un lien intime entre espace et temps au travers de la théorie de la relativité. Le temps devenait relatif. Selon ce modèle, une horloge se déplaçant dans l’espace “ralenti” par rapport à une horloge fixe, et ceci a bien été vérifié par le biais d’horloges atomiques placées en orbite. Cette vision de l’univers fut traduite sous la forme d’un univers à quatre dimensions, dit de Minkowski, composé de trois dimensions spatiales et une dimension temps et sert de cadre de base à l’astrophysique depuis lors. Mais bien sur les choses ne sont peut être pas aussi simples. Déjà en 1949 le fameux mathématicien Kurt Gödel (surtout connu pour son théorème d’incomplétude) démontrait que dans un univers décrit par la théorie de la relativité, la dimension “temps” ne pouvait pas exister… Read more

Intrication quantique, base ADN de la vie?

Les discussions autour de la mécanique quantique ont le plus souvent un caractère quelque peu abstrait: les effets quantiques ne sont pas vraiment perceptibles en tant que tels dans notre monde classique, et les considérations d’intrication, de fonctions d’ondes et de définition du réel ne semblent pas très liés à ce que nous avons de plus cher, à savoir la vie elle-même. La vie, cette chose humide et chaude, évolutive, déclinée sous tant de facettes de la science, semble bien ne pas devoir trop se préoccuper de la manière dont les photons et autres bosons s’amusent dans leur monde probabiliste et mathématique. Et pourtant. Read more

Du quantique au classique: Que percevons-nous du monde?

La mécanique quantique est largement validée en tant que théorie descriptive du comportement de l’univers à l’échelle atomique. Le fait qu’elle fonctionne expérimentalement implique qu’au moins l’un de deux éléments de ce qui fonde “notre” réalité, la localité (les propriétés d’un objet sont indépendantes de toute influence extérieure) et le réalisme (les propriétés d’un objet existent indépendamment de la mesure), soit faux. Read more

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