Tag Archives: Univers

De l’origine des origines

image
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

 

Qu’est ce que la réalité?

Finalement, peut être que Douglas Adams n’avait pas tort quand il écrivait que “The answer to the ultimate question of life, the universe and everything is 42“. Car 42 est un chiffre  basé sur un concept que l’on appelle les nombres. Il aurait tout aussi bien pu écrire que “the answer…. is nothing“. Que la réponse est le rien. Ce à quoi Raymond Devos n’aurait pas manqué de répondre que le rien n’est pas rien vu que trois fois rien font déjà quelque chose…

Reprenons. Faisant pour le moment abstraction des approches spirituelles, chamaniques ou mystiques pour rester dans un réductionnisme bien rationnel et scientifique, la “réalité vraie” est l’élément ou la structure de base sur laquelle tout le reste est construit. Dans cette optique, la réalité que nous percevons est alors le fruit d’un processus à étages, avec en haut notre conscience et en bas… ce fameux élément ou structure fondamentale, cette “réalité vraie” d’où découlent toutes les autres. L’approche classique, fonctionnaliste, est alors de dire que notre conscience est fondée sur l’existence de notre cerveau, lui-même une entité biologique électro-chimique dont les éléments relèvent essentiellement de la chimie, qui n’est elle-même qu’une version spéciale de la physique, physique qui sonde la matière à la recherche de particules fondamentales qui ne sont elle-même que des condensats de l’espace-temps, lui-même un concept essentiellement mathématique qui n’existe… que dans notre conscience. Fâcheuse circularité. Read more

Conjecture abc et poésie mathématique spéculative

prime numbers

Si on arrange les nombres naturels sous forme de spirale en mettant l’emphase sur les nombres premiers, un motif intriguant et non totalement expliqué apparaît, appelé la spirale de Ulam.
Image: Flickr/Center for Image in Science and Art _ UL

On parle beaucoup depuis quelques jours, dans les pages sciences de publications telle Nature et les blogs avertis, de la possible preuve de la “conjecture abc” par un mathématicien de renom, Shinichi Mochizuki, de l’université de Kyoto au Japon. Sans entrer dans des considérations mathématiciennes que je ne maîtrise pas, cette preuve serait une avancée majeure dans la théorie de nombres et en particulier des problèmes diophanyiens - dont le plus connu est sans doute le dernier théorème de Fermat.

Ce qui semble le plus extraordinaire dans cette annonce, et qui fait que sa confirmation risque de prendre un certain temps sinon un temps certain, est que Mochizuki a dû développer tout un ensemble de concepts et d’outils mathématiques que personne d’autre que lui ne semble maîtriser. Sa preuve fait quelques 500 pages et repose sur d’autres articles du même auteur qu’il faut déjà comprendre pour être en mesure de suivre sa démonstration. Read more

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 alors, cette matière noire?

Décidément la matière noire a l’esprit malicieux ces derniers temps. Je parlais en début de mois dans le billet “La matière noire souffle le chaud et le froid” des incohérences dans les résultats des différents détecteurs actuellement en batterie pour détecter cette fameuse matière (censée constituer de l’ordre de 85% de la masse de l’univers). Et voici qu’une nouvelle étude publiée par des chercheurs de l’ESO au Chili et en Italie s’intitule “Aucune évidence de matière sombre au voisinage du système solaire“. Alors qu’évidemment elle est supposé exister là comme partout ailleurs. 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

« Older Entries