Paul Sutter est astrophysicien à l'Université d'État de l'Ohio et scientifique en chef au COSI Science Center. Sutter est également directeur général d'Ask the Spaceman et de Space Radio et dirige AstroTours dans le monde entier. Le scientifique a présenté un article intéressant dans le magazine Expert Voices.
À la fin des années 1990, les physiciens théoriciens ont découvert un lien remarquable entre deux concepts apparemment sans rapport dans leur science. Cette connexion est presque incompréhensiblement technique, mais elle peut avoir des implications profondes pour notre compréhension de la gravité et même de l'univers. Pour illustrer cette connexion, commençons par un trou noir.
L'influence d'un trou noir sur le flux d'informations
Les chercheurs ont constaté que lorsqu'un bit d'information atteint un trou noir, sa surface augmente d'une quantité très précise: le carré de la longueur de Planck, égal à un incroyablement petit 1,6 x 10-35 m.
Au départ, il peut ne pas sembler tout à fait intéressant qu'un trou noir s'agrandisse lorsque de la matière ou de l'énergie y pénètre, mais le plus surprenant est que la surface, et non le volume, augmente en proportion directe d'informations fiables. Ceci est complètement différent de la plupart des autres objets connus de l'univers.
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Vivons-nous dans un espace tridimensionnel?
Pour la plupart des objets avec lesquels nous sommes familiers, il y a une seule loi: s'il "consomme" un bit d'information, son volume augmentera d'une unité et sa surface ne croîtra que d'une fraction. Mais avec les trous noirs, la situation change radicalement. C'est comme si l'information ne résidait pas à l'intérieur du trou noir, mais collait à sa surface.
Ainsi, un trou noir est un objet entièrement tridimensionnel dans notre univers tridimensionnel et peut être entièrement représenté par une surface bidimensionnelle.
Comment fonctionnent les hologrammes?
Un hologramme est un système qui utilise moins de dimensions. Il peut regrouper toutes les informations du système d'origine.
Par exemple, nous vivons dans trois dimensions spatiales. Lorsque vous posez devant la caméra, il enregistre une image en deux dimensions de votre visage, mais il ne capture pas toutes les informations. Lorsque vous examinez ultérieurement votre travail et utilisez le filtre, vous ne pouvez pas, par exemple, voir l'arrière de votre tête, quelle que soit la façon dont vous faites pivoter l'image. Mais l'enregistrement de l'hologramme conservera toutes ces informations. Même s'il s'agit d'une vue 2D, vous pouvez toujours l'explorer sous tous les angles 3D.
Trou noir comme hologramme
Décrire un trou noir comme un hologramme pourrait fournir une solution au soi-disant paradoxe de l'information du trou noir, le mystère de l'origine de l'information lorsque la matière est consommée par un trou noir. Mais c'est un sujet pour un autre article. Le concept de «trou noir sous forme d'hologramme» est également un bon exemple à garder à l'esprit lorsque vous essayez de visualiser l'univers entier.
Résoudre des problèmes privés
La correspondance entre des branches de la physique apparemment non liées qui a été mentionnée au début de cet article est une autre application des techniques holographiques qui provient de l'incroyable modèle AdS-CFT.
AdS signifie Anti-De Sitter. Ce modèle représente une solution particulière à la théorie générale de la relativité d'Einstein. Il décrit un univers complètement vide avec une courbure spatiale négative.
C'est un univers plutôt ennuyeux: il ne contient ni matière ni énergie, et les lignes parallèles divergent finalement en fonction de la position de la géométrie sous-jacente. Bien que ce processus ne décrive peut-être pas l'univers, il suggère au moins que la vie sur terre a un début. Ce modèle quelque peu détendu de l'univers possède les propriétés mathématiques nécessaires pour rendre la théorie des composés pertinente.
Théorie des champs
L'autre côté de la correspondance est une structure appelée théorie des champs conforme. La physique théorique repousse avec ses théories des champs. Ce sont les leviers utilisés par les scientifiques pour créer une variété de théories quantiques utilisées pour décrire trois des quatre forces de la nature.
L'électromagnétisme, la force nucléaire forte et la force nucléaire faible pourraient être décrites par la théorie des champs, et au cours du dernier demi-siècle, l'humanité a souvent pratiqué leur utilisation.
Il faut comprendre pourquoi cette connexion est si importante. Disons que vous essayez de résoudre un problème vraiment difficile comme la gravité quantique en utilisant la théorie des cordes, qui est une tentative d'expliquer toutes les forces et particules fondamentales de l'univers en termes de minuscules cordes vibrantes. En fait, c'est un problème tellement complexe que personne n'a trouvé de solution malgré des décennies d'essais.
La correspondance AdS-CFT nous dit que les techniques holographiques peuvent être utilisées pour débarrasser le monde de ce mal de tête.
Au lieu d'essayer de résoudre le problème de la gravitation quantique dans notre univers tridimensionnel, AdS-CFT nous permet de passer à un problème équivalent au bord de l'univers, qui n'est représenté que par deux dimensions et ne contient pas de gravité.
Équations de la théorie des champs
Le calcul mathématique presque impossible de la théorie des cordes est remplacé par un ensemble d'équations de théorie des champs tout simplement incroyablement difficiles. Cela vous permet de trouver des solutions aux problèmes sans aucune gravité, ce qui vous empêche de transférer la solution dans l'univers tridimensionnel normal et de faire des prédictions. Tout cela ressemble à une excellente idée et à un moyen de tromper la nature en contournant les mécanismes gravitationnels. Et cela pourrait s'avérer être une manière brillante de «résoudre» la gravité quantique.
Contradictions existantes
Mais pour le moment, il y a des contradictions. Premièrement, nous ne vivons pas dans un univers anti-de Sitter. Notre Univers est plein de matière, de rayonnement et d'énergie noire et a une géométrie presque complètement plate.
Existe-t-il une correspondance similaire qui fonctionne dans notre univers réel? Il se peut que les théoriciens travaillent dur pour trouver la «frontière» prise pour la correspondance AdCa-CFT avec l'horizon cosmologique - la limite de ce que nous pouvons voir dans notre Univers observable.
Tout serait compréhensible, sauf pour le moment où nous vivons dans un espace-temps dynamique avec un espace en constante croissance, et cette frontière est en constante évolution. Cette position n'est pas bien expliquée dans les théories modernes.
En effet, lorsque l'on passe du modèle décrit par l'astrophysicien Sitter à un modèle aux limites plus simple utilisant la théorie des champs conforme, les nouveaux systèmes d'équations sont fondamentalement résolubles.
Ils existent toujours, mais ils sont souvent fantastiques, désastreux, effrayants et insolubles.
Alors, un hologramme existe-t-il?
Même si le lien AdS-CFT s'est avéré utile pour résoudre le problème de la gravité quantique et que les physiciens pourraient trouver un moyen de naviguer dans les problèmes et rendre cette méthode pertinente pour l'univers dans lequel nous vivons, cela ne signifie pas que nous vivons réellement dans un hologramme.
C'est une erreur de penser que le modèle AdS-CFT est un moyen pratique de résoudre les problèmes gravitationnels de notre univers avec la gravité en trois dimensions.
Tout cela est une illusion, et nous vivons vraiment dans un espace bidimensionnel sans gravité. Un dispositif mathématique aussi pratique que celui-ci ne change pas nos vues sur la nature fondamentale de la réalité.
Si les principes holographiques sont utiles pour résoudre des problèmes, cela ne signifie pas que nous vivons dans un hologramme. Et même si nous vivions vraiment dans un hologramme, nous ne pourrions pas faire la différence de toute façon.
Maya Muzashvili
