Les gens prennent toujours l'espace pour acquis. Après tout, ce n’est qu’un vide - un conteneur pour tout le reste. Le temps passe aussi en continu. Mais les physiciens sont de telles personnes, ils ont toujours besoin de compliquer quelque chose. Essayant régulièrement d'unifier leurs théories, ils ont découvert que l'espace et le temps se confondent dans un système si complexe qu'une personne ordinaire ne peut pas comprendre.
Albert Einstein a réalisé ce qui nous attendait en novembre 1916. Un an plus tôt, il avait formulé la théorie générale de la relativité, selon laquelle la gravité n'est pas une force qui se propage dans l'espace, mais une propriété de l'espace-temps lui-même. Lorsque vous lancez la balle en l'air, elle vole en arc de cercle et retourne au sol, car la Terre plie l'espace-temps autour d'elle, de sorte que les trajectoires de la balle et du sol se croisent à nouveau. Dans une lettre à un ami, Einstein a discuté du problème de la fusion de la relativité générale avec son autre idée originale, la théorie naissante de la mécanique quantique. Mais ses compétences en mathématiques n'étaient tout simplement pas suffisantes. «Comment je me suis torturé avec ça!» A-t-il écrit.
Einstein n'a jamais réussi nulle part à cet égard. Aujourd'hui encore, l'idée de créer une théorie quantique de la gravité semble extrêmement lointaine. La controverse cache une vérité importante: les approches concurrentielles tout comme on dit que l'espace est en train de naître quelque part plus profondément - et cette idée rompt la compréhension scientifique et philosophique de celui-ci qui a été établie depuis 2500 ans.
Dans le trou noir
Un aimant de réfrigérateur ordinaire illustre parfaitement le problème auquel sont confrontés les physiciens. Il peut épingler un morceau de papier et résister à la gravité de la Terre entière. La gravité est plus faible que le magnétisme ou toute autre force électrique ou nucléaire. Quels que soient les effets quantiques derrière cela, ils seront plus faibles. La seule preuve tangible que ces processus ont lieu est l'image hétéroclite de la matière dans le premier univers - qui aurait été dessinée par des fluctuations quantiques dans le champ gravitationnel.
Les trous noirs sont le meilleur moyen de tester la gravité quantique. «C'est la chose la plus appropriée à expérimenter», déclare Ted Jacobson de l'Université du Maryland, College Park. Lui et d'autres théoriciens étudient les trous noirs comme des pivots théoriques. Que se passe-t-il lorsque vous prenez des équations qui fonctionnent parfaitement dans un laboratoire et que vous les placez dans les situations les plus extrêmes imaginables? Y aura-t-il des défauts subtils?
La théorie générale prédit relativement que la matière tombant dans un trou noir se contractera à l'infini à mesure qu'elle s'approche de son centre - une impasse mathématique appelée singularité. Les théoriciens ne peuvent imaginer la trajectoire d'un objet au-delà de la singularité; toutes les lignes convergent dessus. Même en parler comme un lieu est problématique, car l'espace-temps lui-même, qui détermine la localisation de la singularité, cesse d'exister. Les scientifiques espèrent que la théorie quantique pourra nous fournir un microscope qui nous permettra d'examiner ce point infinitésimal de densité infinie et de comprendre ce qui arrive à la matière qui y tombe.
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Au bord d'un trou noir, la matière n'est pas encore aussi comprimée, la gravité est plus faible et, à notre connaissance, toutes les lois de la physique devraient fonctionner. Et c'est d'autant plus décourageant qu'ils ne fonctionnent pas. Le trou noir est limité par l'horizon des événements, le point de non-retour: la matière qui traverse l'horizon des événements ne reviendra pas. La descente est irréversible. C'est un problème car toutes les lois connues de la physique fondamentale, y compris les lois de la mécanique quantique, sont réversibles. Au moins en principe, en théorie, vous devriez être capable d'inverser le mouvement et de restaurer les particules que vous avez.
Les physiciens ont été confrontés à une énigme similaire à la fin des années 1800 lorsqu'ils ont considéré les mathématiques d'un «corps noir», idéalisé comme une cavité remplie de rayonnement électromagnétique. La théorie de l'électromagnétisme de James Clerk Maxwell a prédit qu'un tel objet absorberait tout le rayonnement qui lui tombe dessus et ne se mettrait jamais en équilibre avec la matière environnante. «Il peut absorber une quantité infinie de chaleur à partir d'un réservoir maintenu à une température constante», explique Raphael Sorkin du Perimeter Institute for Theoretical Physics en Ontario. D'un point de vue thermique, il aura une température de zéro absolu. Cette conclusion contredit les observations de vrais corps noirs (comme le four). Poursuivant ses travaux sur la théorie de Max Planck, Einstein a montré qu'un corps noir peut atteindre l'équilibre thermique,si l'énergie de rayonnement viendra en unités discrètes, ou quanta.
Pendant près d'un demi-siècle, les physiciens théoriciens ont tenté de trouver une solution similaire pour les trous noirs. Le regretté Stephen Hawking de l'Université de Cambridge a franchi une étape importante au milieu des années 70 en appliquant la théorie quantique au champ de rayonnement autour des trous noirs et en montrant qu'ils avaient des températures non nulles. Par conséquent, ils peuvent non seulement absorber mais aussi émettre de l'énergie. Bien que son analyse ait vissé les trous noirs dans le domaine de la thermodynamique, il a également exacerbé le problème d'irréversibilité. Le rayonnement sortant est émis au bord du trou noir et ne transporte pas d'informations de l'intérieur. C'est de l'énergie thermique aléatoire. Si vous inversez le processus et transmettez cette énergie à un trou noir, rien ne surgit: vous obtenez juste encore plus de chaleur. Et il est impossible d'imaginer qu'il reste quelque chose dans le trou noir, juste piégé, car lorsque le trou noir émet des radiations, il se contracte et,selon l'analyse de Hawking, il disparaît finalement.
Ce problème est appelé le paradoxe de l'information, car un trou noir détruit les informations sur les particules qui y sont entrées, que vous pourriez essayer de récupérer. Si la physique des trous noirs est vraiment irréversible, quelque chose doit renvoyer l'information, et notre concept d'espace-temps devra peut-être être modifié pour tenir compte de ce fait.
Atomes spatio-temporels
La chaleur est le mouvement aléatoire de particules microscopiques comme les molécules de gaz. Étant donné que les trous noirs peuvent s'échauffer et se refroidir, il serait raisonnable de supposer qu'ils sont constitués de pièces - ou, plus généralement, d'une structure microscopique. Et comme un trou noir n'est qu'un espace vide (selon la relativité générale, la matière tombant dans un trou noir passe à travers l'horizon des événements sans s'arrêter), les parties d'un trou noir doivent être des parties de l'espace lui-même. Et sous la simplicité trompeuse de l'espace vide plat, il y a une complexité énorme.
Même les théories qui étaient censées préserver la vision traditionnelle de l'espace-temps sont arrivées à la conclusion que quelque chose se cache sous cette surface lisse. Par exemple, à la fin des années 1970, Steven Weinberg, maintenant à l'Université du Texas à Austin, a tenté de décrire la gravité de la même manière que d'autres forces de la nature la décrivent. Et j'ai découvert que l'espace-temps a été radicalement modifié dans sa plus petite échelle.
À l'origine, les physiciens ont visualisé l'espace microscopique comme une mosaïque de petits morceaux d'espace. Si vous les agrandissez à l'échelle de Planck, d'une taille incommensurablement petite de 10 à 35 mètres, les scientifiques pensent que vous pouvez voir quelque chose comme un échiquier. Ou peut être pas. D'une part, un tel réseau de lignes d'espace d'échecs préférera certaines directions à d'autres, créant des asymétries qui contredisent la théorie de la relativité spéciale. Par exemple, la lumière de différentes couleurs se déplacera à différentes vitesses - comme dans un prisme en verre qui divise la lumière en ses couleurs composantes. Et bien que les manifestations à petite échelle soient très difficiles à remarquer, les violations de la relativité générale seront franchement évidentes.
La thermodynamique des trous noirs remet en question l'image de l'espace comme simple mosaïque. En mesurant le comportement thermique de n'importe quel système, vous pouvez compter ses pièces, du moins en principe. Libérez de l'énergie et regardez le thermomètre. Si la colonne a décollé, l'énergie doit être distribuée à relativement peu de molécules. En fait, vous mesurez l'entropie d'un système, qui représente sa complexité microscopique.
Si vous faites cela avec une substance ordinaire, le nombre de molécules augmente avec le volume du matériau. Donc, dans tous les cas, ça devrait être: si vous augmentez le rayon d'un ballon de plage de 10 fois, il contiendra 1000 fois plus de molécules à l'intérieur. Mais si vous augmentez le rayon d'un trou noir 10 fois, le nombre de molécules qu'il contient ne se multipliera que 100 fois. Le nombre de molécules dont il se compose doit être proportionnel non pas à son volume, mais à la surface. Un trou noir peut sembler tridimensionnel, mais il se comporte comme un objet bidimensionnel.
Cet effet étrange est appelé le principe holographique, car il ressemble à un hologramme, que nous voyons comme un objet tridimensionnel, mais en y regardant de plus près, il se révèle être une image produite par un film bidimensionnel. Si le principe holographique prend en compte les constituants microscopiques de l'espace et son contenu - ce que les physiciens admettent, mais pas tous - il ne suffira pas de créer de l'espace en appariant simplement ses plus petits morceaux.
Web emmêlé
Ces dernières années, les scientifiques ont réalisé que l'intrication quantique devait être impliquée. Cette propriété profonde de la mécanique quantique, un type de connexion extrêmement puissant, semble beaucoup plus primitive que l'espace. Par exemple, les expérimentateurs peuvent créer deux particules volant dans des directions opposées. S'ils s'emmêlent, ils resteront connectés quelle que soit la distance qui les sépare.
Traditionnellement, lorsque les gens parlaient de gravité «quantique», ils parlaient de discrétion quantique, de fluctuations quantiques et de tous les autres effets quantiques - pas d'intrication quantique. Tout a changé grâce aux trous noirs. Pendant la durée de vie d'un trou noir, des particules enchevêtrées y tombent, mais lorsque le trou noir s'évapore complètement, les partenaires à l'extérieur du trou noir restent enchevêtrés - sans rien. «Hawking aurait dû appeler cela un problème d'enchevêtrement», déclare Samir Mathur, de l'Université d'État de l'Ohio.
Même dans le vide, où il n'y a pas de particules, les champs électromagnétiques et autres sont intriqués à l'intérieur. Si vous mesurez le champ à deux endroits différents, vos lectures fluctueront légèrement, mais resteront coordonnées. Si vous divisez la zone en deux parties, ces parties seront en corrélation, et le degré de corrélation dépendra de la propriété géométrique qu'elles possèdent: la zone d'interface. En 1995, Jacobson a déclaré que l'intrication fournit un lien entre la présence de matière et la géométrie de l'espace-temps - ce qui signifie qu'elle pourrait expliquer la loi de la gravité. "Plus d'enchevêtrement signifie moins de gravité", a-t-il déclaré.
Certaines approches de la gravité quantique, notamment la théorie des cordes, considèrent l'intrication comme une pierre angulaire importante. La théorie des cordes applique le principe holographique non seulement aux trous noirs, mais à l'univers dans son ensemble, fournissant une recette pour créer de l'espace - ou du moins une partie de celui-ci. L'espace bidimensionnel d'origine servira de limite à un espace volumétrique plus grand. Et l'intrication liera l'espace volumétrique en un tout unique et continu.
En 2009, Mark Van Raamsdonk de l'Université de la Colombie-Britannique a fourni une explication élégante de ce processus. Supposons que les champs à la frontière ne soient pas intriqués - ils forment une paire de systèmes hors corrélation. Ils correspondent à deux univers séparés, entre lesquels il n'y a aucun moyen de communication. Lorsque les systèmes s'enchevêtrent, une sorte de tunnel, un trou de ver, se forme entre ces univers et les vaisseaux spatiaux peuvent se déplacer entre eux. Plus le degré d'enchevêtrement est élevé, plus la longueur du trou de ver est courte. Les univers fusionnent en un et ne sont plus deux séparés. «L'avènement d'un grand espace-temps relie directement l'intrication à ces degrés de liberté de la théorie des champs», explique Van Raamsdonck. Lorsque nous voyons des corrélations dans les champs électromagnétiques et autres, elles sont le reste de la cohésion qui lie l'espace ensemble.
De nombreuses autres caractéristiques de l'espace, en plus d'être connectées, peuvent également refléter un enchevêtrement. Van Raamsdonk et Brian Swingle de l'Université du Maryland soutiennent que l'omniprésence de l'intrication explique l'universalité de la gravité - qu'elle affecte tous les objets et imprègne partout. Pour les trous noirs, Leonard Susskind et Juan Maldacena pensent que l'enchevêtrement entre le trou noir et le rayonnement qu'il émet crée un trou de ver - l'entrée noire du trou noir. Ainsi, l'information est préservée et la physique d'un trou noir est irréversible.
Bien que ces idées de théorie des cordes ne fonctionnent que pour des géométries spécifiques et ne reconstruisent qu'une seule dimension de l'espace, certains scientifiques ont tenté d'expliquer l'espace à partir de zéro.
En physique et en général dans les sciences naturelles, l'espace et le temps sont à la base de toutes les théories. Mais nous ne remarquons jamais directement l'espace-temps. Nous déduisons plutôt son existence de notre expérience quotidienne. Nous supposons que l'explication la plus logique des phénomènes que nous voyons sera un mécanisme qui fonctionne dans l'espace-temps. Mais la gravité quantique nous dit que tous les phénomènes ne s'intègrent pas parfaitement dans une telle image du monde. Les physiciens doivent comprendre ce qui est encore plus profond, les tenants et les aboutissants de l'espace, le revers d'un miroir lisse. S'ils réussissent, nous mettrons fin à la révolution qu'Einstein a commencée il y a plus d'un siècle.
Ilya Khel
