Univers holographique?

En roulant dans la campagne au sud de Hanovre, il serait facile de manquer le centre d’expérimentation GEO600 . De l’extérieur, il n’y ressemble pas beaucoup: dans le coin d’un champ on découvre un assortiment de bâtiments carrés et temporaires, d’où deux longues tranchées émergent, à angle droit l’une aux de l’autre, couvertes de tôle ondulée. Sous les feuilles de métal, cependant, se trouve un détecteur qui s’étire sur 600 mètres.

Au cours des sept dernières années, cette installation allemande a recherché les ondes gravitationnelles – des ondulations dans l’espace-temps provoquées par des objets astronomiques très denses comme les étoiles à neutrons et les trous noirs. GEO600 n’a détecté aucunes ondes gravitationnelles jusqu’à présent, mais il pourrait, par inadvertance, avoir fait la découverte la plus importante en physique depuis un demi-siècle.

univers holographique

Pendant de nombreux mois, les membres de l’équipe du GEO600 se sont grattés la tête à cause d’un bruit inexplicable qui sévit dans leur détecteur géant. Puis, du jour au lendemain, un chercheur est venu vers eux avec une explication. En fait, il avait même prédit le bruit avant qu’il ne sache qu’ils le détecteraient. Selon Craig Hogan, physicien au laboratoire de physique des particules du Fermilab de Batavia, Illinois, le GEO600 est tombé sur la limite fondamentale de l’espace-temps – le point où l’espace-temps cesse de se comporter comme le continuum lisse qu’Einstein décrit et se dissout plutôt en «grains », tout comme une photo de journal se dissout en points comme vous zoomez dessus. « C’est comme si le GEO600 était secoué par des convulsions quantiques microscopiques d’espace-temps », dit Hogan.

Si cela ne vous décoiffe pas, alors Hogan, qui a vient d’être nommé directeur du Centre de Fermilab for Particle Astrophysics, a un choc encore plus grand dans le magasin: «Si le résultat du GEO600 est ce que je soupçonne qu’il est, alors nous vivons tous dans un hologramme cosmique géant. »
L’idée que nous vivons dans un hologramme semble sans doute absurde, mais elle est un prolongement naturel de notre meilleure compréhension des trous noirs, et quelque chose avec une solide assise théorique. Elle a également été étonnamment utile pour les physiciens aux prises avec les théories sur le fonctionnement de l’univers à son niveau le plus fondamental.

univers holographique 2

Les hologrammes que vous trouvez sur les cartes de crédit et les billets de banque sont gravés sur les deux dimensions de films plastiques. Quand la lumière rebondit sur eux, il recrée l’apparence d’une image 3D. Dans les années 1990 les physiciens Leonard Susskind et le prix Nobel Gerard ‘t Hooft ont suggéré que le même principe pourrait s’appliquer à l’univers dans son ensemble. Notre expérience quotidienne pourrait être en soi une projection holographique de processus physiques qui se déroulent à distance, une surface 2D.

Le «principe holographique» remet en question nos sensibilités. Il semble difficile de croire que vous vous êtes réveillé, brossé les dents et que vous lisez cet article parce que quelque chose se passe sur la limite de l’univers. Personne ne sait ce que cela signifierait pour nous si nous vivions vraiment dans un hologramme, mais les théoriciens ont de bonnes raisons de croire que de nombreux aspects du principe holographique sont vrais.

La remarquable idée de Susskind et ‘t Hooft a été motivée par les travaux novateurs sur les trous noirs de Jacob Bekenstein de l’Université hébraïque de Jérusalem, en Israël et de Stephen Hawking à l’Université de Cambridge. Au milieu des années 1970, Hawking a montré que les trous noirs sont en fait pas tout à fait «noir», mais plutôt émettent doucement des rayonnements, qui les amènent à s’évaporer et finalement disparaître. C’est un casse-tête, car le rayonnement de Hawking ne donne aucune information sur l’intérieur d’un trou noir. Lorsque le trou noir a disparu, toutes les informations sur l’étoile qui s’est effondrée pour former le trou noir disparaissent, ce qui contredit le principe largement confirmé que ces informations ne peuvent être détruites. Ceci est connu sous le nom de paradoxe des informations du trou noir.

Le travail de Bekenstein a fourni un indice important pour résoudre le paradoxe. Il a découvert que l’entropie d’un trou noir – ce qui est synonyme de son contenu informationnel – est proportionnelle à la superficie de son horizon d’événement. C’est la surface théorique qui couvre le trou noir et marque le point de non-retour pour la matière qui tombe ou la lumière. Les théoriciens ont depuis montré que des ondulations quantiques microscopiques à l’horizon des événements peuvent encoder les informations à l’intérieur du trou noir, il n’y a donc aucune perte d’information mystérieuse lors l’évaporation du trou noir.
Fondamentalement, cela fournit une profonde compréhension de la physique: les informations 3D sur une étoile précurseur peuvent être entièrement codées dans l’horizon 2D du trou noir qui en surgira – un peu comme l’image 3D d’un objet qui est encodé dans un hologramme 2D. Susskind et ‘t Hooft ont étendu l’idée de l’univers dans son ensemble sur la base que le cosmos a un horizon lui aussi – la limite au-delà de laquelle la lumière n’a pas eu le temps de nous parvenir au cours des 13,7 milliards d’années d’existence de l’univers. Qui plus est, les travaux de plusieurs théoriciens des cordes, plus particulièrement Juan Maldacena de l’Institute for Advanced Study à Princeton, ont confirmé que l’idée est sur la bonne voie. Il a montré que la physique dans un univers hypothétique avec cinq dimensions et en forme de Patate est la même que la physique se déroulant aux limites des quatre- dimensions.

Selon Hogan, le principe holographique modifie radicalement notre conception de l’espace-temps. Les théoriciens de la physique ont longtemps cru que les effets quantiques provoquaient des bouleversements sauvages de l’espace-temps sur les échelles plus petites. A ce grossissement, le tissu de l’espace-temps devient granuleux et est finalement constitué de petites unités un peu comme le pixel, mais une centaine de milliards de milliards de fois plus petit qu’un proton. Cette distance est connue comme la longueur de Planck, à peine 10-35 mètres. La longueur de Planck est bien au-delà de la portée de toute expérience concevable, si bien que personne n’a osé rêver que la granularité de l’espace-temps pourrait être perceptible.

C’était ainsi avant que Hogan se rende compte que le principe holographique change tout. Si l’espace-temps est un hologramme granuleux, alors vous pouvez imaginer l’univers comme une sphère dont la surface extérieure est tapissée de carrés de la taille d’une longueur, chacune contenant un bit d’information. Le principe holographique dit que la quantité d’informations tapissant l’extérieur doit correspondre au nombre de bits contenus dans le volume de l’univers.

Comme le volume de l’univers sphérique est beaucoup plus grand que sa surface externe, comment cela pourrait-il être vrai? Hogan compris que pour avoir le même nombre de bits de l’intérieur de l’univers que sur les limites, le monde intérieur doit être constituée de grains plus gros que la longueur de Planck. « Ou, pour dire les choses autrement, un univers holographique est flou», dit Hogan.

Ce sont de bonnes nouvelles pour quiconque tente de sonder la plus petite unité d’espace-temps. « Contrairement à toute attente, il met la structure quantique microscopique à la portée des expériences actuelles», explique Hogan. Ainsi, alors que la longueur de Planck est trop petite pour des expériences visant à la détecter, la « projection » holographique de cet effet de grain pourrait bien être beaucoup plus grande, autour de 10-16 mètres. «Si vous viviez dans un hologramme, on pourrait le dire en mesurant le flou », dit-il.

Quand Hogan a d’abord réalisé cela, il s’est demandé si des expériences pourraient être en mesure de détecter le flou holographique de l’espace-temps. C’est là que GEO600 entre en jeu.

Les détecteurs d’ondes gravitationnelles comme le GEO600 soient des règles fantastiquement sensibles. L’idée est que si une onde gravitationnelle traverse le GEO600, il étirera alternativement l’espace dans un sens et le compressera dans un autre. Pour la mesure, l’équipe GEO600 tire un seul laser à travers un demi-miroir argenté appelé séparateur de faisceau. Cela divise la lumière en deux faisceaux, qui se poursuivent dans les bras perpendiculaires long de 600m de l’instrument et rebondissent de nouveau. Au retour les rayons de lumière fusionnent ensemble au séparateur de faisceau et créent un modèle d’interférence des régions claires et sombres où les ondes lumineuses, soit s’annulent ou se renforcent mutuellement. Tout changement dans la position de ces régions vous indique que la longueur relative des bras a changé.

«Le point clé est que ces expériences sont sensibles aux changements dans la longueur des règles qui sont beaucoup plus petits que le diamètre d’un proton, dit Hogan.

Ainsi seraient-ils en mesure de détecter une projection holographique de l’espace temps granuleux? Sur les cinq détecteurs d’ondes gravitationnelles dans le monde entier, Hogan s’est rendu compte que l’expérience anglo-allemande GEO600 devait être la plus sensible à ce qu’il avait à l’esprit. Il a prédit que si le séparateur de faisceau de l’expérience était secoué par des convulsions quantiques de l’espace-temps, ce serait affiché dans ses dimensions (Physical Review D, Vol 77, p 104031). «Cette instabilité aléatoire ferait du bruit dans le signal de la lumière laser», explique Hogan.

En Juin il a envoyé sa prévision à l’équipe GEO600. «Incroyable mais vrai, j’ai découvert que l’expérience avait récolté un bruit inattendu, dit Hogan. GEO600 le principal investigateur Karsten Danzmann de l’Institut Max Planck de physique gravitationnelle à Potsdam, en Allemagne, et aussi à l’Université de Hanovre, admet que l’excès de bruit, avec des fréquences comprises entre 300 et 1500 hertz, avait tracassé l’équipe pour une longue période. Il a répondu à Hogan et lui a envoyé un graphique du bruit. «Il ressemblait exactement à ma prédiction», dit Hogan. «C’était comme si le séparateur de faisceau avait une gigue latéral supplémentaire. »

Incroyablement, l’expérience a enregistré un bruit inattendu – comme si les convulsions quantiques provoquaient une instabilité supplémentaire sur le côté.

Personne – y comprit Hogan – ne fait encore valoir que GEO600 ait trouvé des preuves que nous vivons dans un univers holographique. Il est beaucoup trop tôt pour le dire. « Ce pourrait encore être une source banale de bruit », Hogan l’admet.

Les détecteurs d’ondes gravitationnelles sont extrêmement sensibles, c’est pourquoi ceux qui opèrent dans ceux-ci doivent travailler plus dur que la plupart pour éliminer le bruit. Ils doivent prendre en compte les nuages qui passent, le trafic lointain, les grondements sismologiques et beaucoup, beaucoup d’autres sources qui pourraient masquer un signal réel. «L’activité quotidienne de l’amélioration de la sensibilité de ces expériences jette toujours un peu de bruit en excès, dit Danzmann. «Nous travaillons pour identifier la cause, et nous en débarrasser et aborder la prochaine source de bruit en excès. » À l’heure actuelle il n’existe aucune source clairement candidate pour le bruit que GEO600 connaît. « À cet égard, je considère la situation actuelle désagréable, mais pas réellement inquiétante».

Pendant un certain temps, l’équipe GEO600 pensé le bruit au quel Hogan était intéressé avait été causé par les fluctuations de température dans le séparateur de faisceau. Toutefois, l’équipe a indiqué que ceci pouvait ne représenter qu’un tiers du bruit au maximum.
Danzmann dit que plusieurs améliorations prévues devraient améliorer la sensibilité de GEO600 et éliminer certaines sources possibles du bruit en excès de l’expérience. « Si le bruit reste où il est maintenant, après ces mesures, alors nous devrons réfléchir à nouveau», dit-il.
Si GEO600 a vraiment découvert le bruit holographique des convulsions quantiques de l’espace-temps, alors il présente une arme à double tranchant pour les chercheurs d’ondes gravitationnelles. D’un côté, le bruit sera un handicap dans leurs tentatives pour détecter les ondes gravitationnelles. D’autre part, elle pourrait représenter une découverte encore plus fondamentale.

Une telle situation ne serait pas sans précédent en physique. Les gigantesques détecteurs construits pour rechercher une forme hypothétique de radioactivité issue de la désintégration des protons n’ont jamais trouvé une telle chose. Au lieu de cela, ils ont découvert que les neutrinos peuvent passer d’un type à un autre – sans doute plus important, car cela pourrait nous indiquer comment l’univers est s’est rempli de la matière et non d’antimatière (New Scientist, 12 avril 2008, p 26).

Ce serait ironique qu’un instrument conçu pour détecter quelque chose d’aussi infini que les sources astrophysiques d’ondes gravitationnelles détecte par inadvertance le grain minuscule de l’espace-temps. «En tant que physicien fondamental, je considère la découverte du bruit holographique comme bien plus intéressante», commente Hogan.

Petit prix à payer

Malgré le fait que si Hogan ait raison, et le bruit holographique gênera la capacité de GEO600 à détecter les ondes gravitationnelles, Danzmann est optimiste. «Même si elle limite la sensibilité de GEO600 dans une certaine gamme de fréquence, ce serait un prix que nous serions heureux de payer en contrepartie de la première détection de la granularité de l’espace-temps». dit-il. « Bien sûr que nous serions heureux. Ce serait l’une des découvertes les plus remarquables depuis longtemps. »

Toutefois Danzmann se montre prudent sur la proposition de Hogan et estime que des travaux plus théoriques doivent encore être réalisés. « C’est intriguant, dit-il. « Mais ce n’est pas vraiment encore une théorie, plutôt une idée. » Comme beaucoup d’autres, Danzmann convient qu’il est trop tôt pour faire des déclarations définitives. « Let’s wait and see», dit-il. « Nous pensons que c’est au moins un an trop tôt pour nous emballer. »

Ce pendant plus le casse-tête persiste, plus la motivation vient pour construire un instrument dédié à la recherche de bruit holographique. John Cramer, de l’Université de Washington à Seattle est d’accord. Ce serait un accident « chanceux » que les prédictions de Hogan puissent être liées à l’expérience GEO600, dit-il. « Il semble clair que de meilleures enquêtes expérimentales pourraient être montées si elles étaient plus particulièrement axées sur la mesure et la caractérisation du bruit holographiques et des phénomènes connexes. »

univers holographique 3

Une possibilité, selon Hogan, serait d’utiliser un appareil appelé un interféromètre atomique. Ceux-ci opèrent sur le même principe que le laser à base des détecteurs, mais utilisent des faisceaux d’atomes ultra-froids plutôt que la lumière laser. Parce que les atomes peuvent se comporter comme des vagues avec une beaucoup plus petite longueur d’onde que la lumière, les interféromètres à atomes sont sensiblement plus petits et donc moins cher à construire que leurs homologues détecteurs d’ondes gravitationnelles.

Alors qu’est-ce que cela voudrait dire si du bruit holographique a été trouvé? Cramer le compare à la découverte de bruit inattendu d’une antenne de Bell Labs au New Jersey en 1964. Que le bruit s’est avéré être le fond diffus cosmologique, la rémanence de la boule de feu du « big bang ». «Non seulement elle a permis à Arno Penzias et Robert Wilson de gagner un Prix Nobel, mais elle a confirmé le Big Bang et a ouvert tout un champ de cosmologie», Déclare Cramer.

Hogan est plus spécifique. « Oubliez Quantum of Solace, Nous avons observé directement le quantum de temps « , dit Hogan. » C’est le plus petit intervalle de temps possible – la longueur de Planck divisée par la vitesse de la lumière.  »

Plus important encore, tout ce qui confirme le principe holographique serait d’une grande aide pour les chercheurs tentant d’unir la mécanique quantique et la théorie d’Einstein de la gravité. Aujourd’hui, l’approche la plus populaire de la gravité quantique est la théorie des cordes, dont les chercheurs espèrent pouvoir décrire les événements dans l’univers au niveau le plus fondamental. Mais ce n’est pas la seule solution. « L’espace-temps holographique est utilisé dans certaines approches de la quantification de la gravité qui ont un lien très fort avec la théorie des cordes», dit Cramer. « Par conséquent, certaines théories de la gravitation quantique pourrait être démenties et d’autres renforcées. »

Hogan est d’accord que si le principe holographique est confirmé, cela écarte toutes les approches de la gravité quantique, qui n’intègrent pas le principe holographique. Inversement, ce serait un coup de pouce pour ceux – dont certains proviennent de la théorie des cordes, qui développe ce qu’on appelle la théorie des matrices. «En définitive, nous pourrions avoir notre première indication de la façon dont l’espace-temps se dégage de la théorie quantique. » Les découvertes fortuites venant, il est difficile d’obtenir plus révolutionnaire que cela.

Source: http://www.newscientist.com/article/mg20126911.300-our-world-may-be-a-giant-hologram.html?full=true

2 Comments

    1. Bonjour,

      Vous écrivez:

       » Car enfin, il se passe bien quelque chose vu du trou noir, puisqu’il est modifié périodiquement. »

      Mais c’est que disent Suskind et les autres, le trou noir est en perpétuel évolution. Que se passe-t’il dans un trou noir? Il me semble que nul n’est de réponse car sans aucun doute au-delà de notre physique qu’elle soit quantique, relativiste ou relevant de la théorie des cordes.

Laisser un commentaire

Votre adresse de messagerie ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *