Une expérience scientifique menée par des scientifiques allemands appelée GEO600 pour rechercher des ondes gravitationnelles, qui dure depuis sept ans, a conduit à des résultats inattendus, selon la revue New Scientist.
À l'aide d'un appareil spécial - un interféromètre - les physiciens allaient confirmer scientifiquement l'une des conclusions de la théorie de la relativité d'Einstein.
Selon cette théorie, il existe des ondes dites gravitationnelles dans l'Univers - des perturbations du champ gravitationnel, des «ondulations» du tissu de l'espace-temps.
Se propageant à la vitesse de la lumière, les ondes gravitationnelles génèrent vraisemblablement des mouvements de masse inégaux de grands objets astronomiques: formation ou collisions de trous noirs, explosions de supernova, etc.
La science explique l'inobservabilité des ondes gravitationnelles par le fait que les effets gravitationnels sont plus faibles que les effets électromagnétiques. Les scientifiques, qui ont commencé leur expérience en 2002, s'attendaient à détecter ces ondes gravitationnelles, qui pourraient plus tard devenir une source d'informations précieuses sur la soi-disant matière noire, qui consiste essentiellement en notre Univers.
Jusqu'à présent, le GEO600 n'a pas été en mesure de détecter les ondes gravitationnelles, mais apparemment, les scientifiques, avec l'aide de l'appareil, ont réussi à faire la plus grande découverte dans le domaine de la physique au cours du dernier demi-siècle.
Pendant de nombreux mois, les experts n'ont pas pu expliquer la nature des bruits étranges interférant avec le fonctionnement de l'interféromètre, jusqu'à ce que soudainement une explication soit offerte par un physicien du laboratoire scientifique Fermilab.
Selon l'hypothèse de Craig Hogan, l'appareil GEO600 est entré en collision avec la frontière fondamentale du continuum espace-temps - le point où l'espace-temps cesse d'être un continuum continu décrit par Einstein, et se désintègre en "grains", comme si une photographie, agrandie plusieurs fois, se transforme en un amas de points séparés …
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"On dirait que GEO600 est tombé sur des fluctuations quantiques microscopiques de l'espace-temps", a suggéré Hogan.
Si cette information ne vous semble pas assez sensationnelle, écoutez plus loin: "Si le GEO600 tombe sur ce que je suppose, cela signifie que nous vivons dans un hologramme spatial géant."
L'idée même que nous vivons dans un hologramme peut sembler ridicule et absurde, mais c'est juste une continuation logique de notre compréhension de la nature des trous noirs, basée sur une base théorique tout à fait prouvable.
Curieusement, la "théorie de l'hologramme" aiderait considérablement les physiciens à expliquer enfin comment l'univers fonctionne à un niveau fondamental.
Les hologrammes qui nous sont familiers (comme, par exemple, sur les cartes de crédit) sont appliqués sur une surface bidimensionnelle, qui commence à apparaître en trois dimensions lorsqu'un rayon de lumière la frappe sous un certain angle.
Dans les années 1990, le lauréat du prix Nobel de physique Gerardt Huft de l'Université d'Utrecht (Pays-Bas) et Leonard Susskind de l'Université de Stanford (États-Unis) ont suggéré qu'un principe similaire pourrait être appliqué à l'univers dans son ensemble. Notre existence quotidienne elle-même peut être une projection holographique de processus physiques qui se produisent dans un espace bidimensionnel.
Il est très difficile de croire au «principe holographique» de la structure de l'Univers: il est difficile d'imaginer que l'on se réveille, se brosse les dents, lit des journaux ou regarde la télé juste parce que plusieurs objets spatiaux géants se sont heurtés quelque part aux confins de l'Univers.
Personne ne sait encore ce que signifiera «la vie dans un hologramme» pour nous, mais les physiciens théoriciens ont de nombreuses raisons de croire que certains aspects des principes holographiques du fonctionnement de l'Univers sont la réalité.
Les conclusions des scientifiques sont basées sur une étude fondamentale des propriétés des trous noirs, qui a été réalisée par le célèbre physicien théoricien Stephen Hawking avec Roger Penrose.
Au milieu des années 1970, le scientifique a étudié les lois fondamentales qui régissent l'univers et a montré que de la théorie de la relativité d'Einstein suit un espace-temps qui commence dans le Big Bang et se termine par des trous noirs.
Ces résultats soulignent la nécessité de combiner l'étude de la théorie de la relativité avec la théorie quantique. Une des conséquences de cette combinaison est l'affirmation selon laquelle les trous noirs ne sont en réalité pas entièrement «noirs»: en fait, ils émettent un rayonnement qui conduit à leur évaporation progressive et à leur disparition complète.
Ainsi, un paradoxe se pose, appelé le «paradoxe informationnel des trous noirs»: le trou noir formé perd sa masse, rayonnant d'énergie. Lorsqu'un trou noir disparaît, toutes les informations qu'il absorbait sont perdues. Cependant, selon les lois de la physique quantique, l'information ne peut pas être complètement perdue.
Contre-argument de Hawking: l'intensité des champs gravitationnels des trous noirs est incompréhensible jusqu'à présent correspond aux lois de la physique quantique. Le collègue de Hawking, le physicien Bekenstein, a avancé une hypothèse importante qui aide à résoudre ce paradoxe.
Il a émis l'hypothèse qu'un trou noir a une entropie proportionnelle à la surface de son rayon conditionnel. C'est une sorte de zone théorique qui masque le trou noir et marque le point de non retour de matière ou de lumière. Les physiciens théoriciens ont prouvé que les fluctuations quantiques microscopiques du rayon conditionnel d'un trou noir peuvent coder des informations à l'intérieur d'un trou noir, de sorte qu'il n'y a pas de perte d'informations qui se trouvent dans un trou noir au moment de son évaporation et de sa disparition.
Ainsi, on peut supposer que les informations tridimensionnelles sur la substance originale peuvent être complètement codées dans le rayon bidimensionnel du trou noir formé après sa mort, approximativement comme une image tridimensionnelle d'un objet est codée à l'aide d'un hologramme bidimensionnel.
Zuskind et Huft sont allés encore plus loin, appliquant cette théorie à la structure de l'Univers, basée sur le fait que l'espace a également un rayon conditionnel - un plan frontière, au-delà duquel la lumière n'a pas encore réussi à pénétrer en 13,7 milliards d'années d'existence de l'Univers.
De plus, Juan Maldacena, un physicien théoricien de l'Université de Princeton, a pu prouver que les mêmes lois physiques fonctionneront dans un univers hypothétique à cinq dimensions comme dans un espace à quatre dimensions.
Selon la théorie de Hogan, le principe holographique de l'existence de l'Univers change radicalement notre image familière de l'espace-temps. Pendant longtemps, les physiciens théoriciens ont cru que les effets quantiques pouvaient faire vibrer l'espace-temps de manière chaotique à une échelle dérisoire.
A ce niveau de pulsation, le tissu du continuum espace-temps devient "granuleux" et comme s'il était constitué des plus petites particules, semblables à des pixels, seulement des centaines de milliards de fois plus petites qu'un proton. Cette mesure de longueur est connue sous le nom de «longueur de Planck» et représente le chiffre de 10 à 35 m.
À l'heure actuelle, les lois physiques fondamentales ont été testées empiriquement jusqu'à des distances de 10 à 17, et la longueur de Planck a été considérée comme inaccessible jusqu'à ce que Hogan se rende compte que le principe holographique change tout.
Si le continuum espace-temps est un hologramme granulaire, alors l'Univers peut être représenté comme une sphère dont la surface extérieure est recouverte des plus petites surfaces de 10 à 35 m de long, dont chacune porte une information.
Le principe holographique dit que la quantité d'informations couvrant la partie extérieure de la sphère-Univers doit correspondre au nombre de bits d'information contenus dans la majeure partie de l'Univers.
Puisque le volume de l'univers sphérique est beaucoup plus grand que toute sa surface extérieure, la question se pose, comment est-il possible d'observer ce principe? Hogan a suggéré que les bribes d'information qui composent «l'intérieur» de l'univers devraient être plus grandes que la longueur de Planck. «En d'autres termes, l'univers holographique est comme une image floue», déclare Hogan.
Pour ceux qui recherchent les plus petites particules d'espace-temps, c'est une bonne nouvelle. «Contrairement aux attentes populaires, la structure quantique microscopique est facilement disponible pour étude», a déclaré Hogan.
Alors que les particules de dimensions égales à la longueur de Planck ne peuvent pas être détectées, la projection holographique de ces «grains» est d'environ 10-16 m. Lorsque le scientifique a tiré toutes ces conclusions, il s'est demandé s'il était possible de déterminer expérimentalement ce flou holographique de l'espace. temps. Et puis GEO600 est venu à la rescousse.
Des appareils comme le GEO600, capables de détecter les ondes gravitationnelles, fonctionnent sur le principe suivant: si une onde gravitationnelle le traverse, elle étire l'espace dans un sens et le comprime dans l'autre.
Pour mesurer la forme d'onde, les scientifiques dirigent un faisceau laser à travers un miroir spécial appelé séparateur de faisceau. Il divise le faisceau laser en deux faisceaux, qui traversent les tiges perpendiculaires de 600 mètres et reviennent.
Les faisceaux de retour se combinent à nouveau en un seul et créent un motif d'interférence de zones claires et sombres, où les ondes lumineuses disparaissent ou se renforcent mutuellement. Tout changement dans la position de ces sections indique que la longueur relative des barres a changé. Des changements de longueur inférieurs au diamètre d'un proton peuvent être détectés expérimentalement.
Si le GEO600 détectait effectivement le bruit holographique des fluctuations quantiques de l'espace-temps, il deviendrait une épée à double tranchant pour les chercheurs: d'une part, le bruit interférerait avec leurs tentatives de «capturer» les ondes gravitationnelles.
D'un autre côté, cela pourrait signifier que les chercheurs ont pu faire une découverte beaucoup plus fondamentale qu'on ne le pensait à l'origine. Cependant, il y a une certaine ironie du destin: l'appareil, conçu pour capter les ondes qui sont une conséquence de l'interaction des plus gros objets astronomiques, a trouvé quelque chose d'aussi microscopique que les «grains» de l'espace-temps.
Plus les scientifiques ne pourront élucider le mystère du bruit holographique, plus la question de la poursuite des recherches dans cette direction devient aiguë. L'une des possibilités de recherche peut être la conception du soi-disant interféromètre atomique, dont le principe de fonctionnement est similaire à celui du GEO600, mais au lieu d'un faisceau laser, un flux d'atomes à basse température sera utilisé.
Que signifiera la découverte du bruit holographique pour l'humanité? Hogan est convaincu que l'humanité est à un pas de la détection d'un quantum de temps. «C'est le plus petit intervalle de temps possible: la longueur de Planck divisée par la vitesse de la lumière», explique le scientifique.
Cependant, la découverte possible aidera surtout les chercheurs à combiner la mécanique quantique et la théorie de la gravité d'Einstein. La plus populaire dans le monde scientifique est la théorie des cordes, qui, selon les scientifiques, aidera à décrire tout ce qui se passe dans l'univers à un niveau fondamental.
Hogan convient que si les principes holographiques sont prouvés, aucune approche de l'étude de la gravitation quantique ne sera désormais considérée en dehors du contexte des principes holographiques. Au contraire, ce sera le moteur des preuves de la théorie des cordes et de la théorie des matrices.
«Peut-être avons-nous entre nos mains la première preuve de la façon dont l'espace-temps découle de la théorie quantique», a noté le scientifique.