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Fabrication d'un trou de ver

Zoom sur l'espace-temps à l'échelle de Planck : il ressemble à une écume quantique qui s'agite aléatoirement.

L'expérience de la gravitation quantique

Nous avons expliqué dans l'article consacré aux trous de vers, de quelle manière Einstein et Rosen[1] avaient imagé leur existence, les fameux "ponts d'Einstein-Rosen", mais ni l'un ni l'autre n'entrevoyait une possibilité d'entretenir ces connexions eu égard au caractère instable des fluctuations quantiques.

En effet un trou de ver est à l’échelle de Planck-Wheeler, il mesure à peine 1.62x10-33 cm, environ 20 ordres de grandeur plus petit que le noyau atomique et nul ne savait jusqu'à présent comment entretenir un tel passage et lui donner une taille macroscopique.

En 1988, les théoriciens Kip Thorne et Richard Morris[2] de Caltech ont étudié le problème à la demande de Carl Sagan pour l'élaboration de son roman "Contact". Sagan souhaitait trouver un moyen pour utiliser les trous de vers afin de voyager à travers l'univers plus rapidement que la lumière. Pour approfondir les conséquences de la relativité générale, Thorne et Morris tentèrent de découvrir par le biais de la physique quantique de nouvelles particules capables d'entretenir les trous de vers de Wheeler.

A des échelles plus petites que la longueur de Planck-Wheeler, les fluctuations gravitationnelles quantiques peuvent être si violentes que l’espace donne l’impression d’être en ébullition et devient une "écume quantique" pleine de trous de vers, de creux et d'immenses vagues quantiques, toutes proportions faites. 

Géométrie d'un trou de ver. Document T.Boyce/HKU.

Mais par nature, ces trous de vers sont instables; ils se referment sur eux-mêmes en l’espace de 10-43 secondes ! Pire, si on essaye de les agrandir, ils s’autodétruisent... Comme aiment le dire les physiciens, le trou de ver appartient à l’"écume quantique" et obéit aux lois probabilistes.

Dans le cadre du roman de Sagan, Thorne et Morris ont donc fixé pour conditions d'existence d'un trou de ver, outre le fait qu'il devait disposer d’un "double sens de circulation", que les voyageurs ne devaient pas être sujets à de fortes accélérations et surtout ne pas être écartelés par les forces de marées; le champ gravitationnel est en effet si intense près d'une singularité et les différences de forces entre vos pieds et votre tête sont si élevées qu’elles vous disloqueraient en un instant.

Lorsque Thorne et Morris ont imposé ces contraintes aux équations de la relativité générale, ils découvrirent un ensemble de solutions générales correspondant chacune à une traversée d’un trou de ver. Pour la première fois, on pouvait sérieusement répondre "Oui, on peut traverser un trou de ver".

Seul bémol, Thorne n’envisage pas réellement de solution macroscopique réaliste pour entretenir un trou de ver, car sa théorie fait appel à de la "matière exotique" comme nous allons le voir. Mais il pourrait exister une autre méthode pour créer un trou de ver. 

La gravité magnétique

Claudio Maccone[3] de l’Université de Turin a suggéré en 1995 d’utiliser un champ magnétique pour enrouler l’espace. Il peut sembler étrange qu’un champ magnétique ait un effet gravitationnel, mais la relativité générale stipule que tout ce qui contient de l’énergie, y compris un champ magnétique, affecte l’espace-temps.

La preuve de ce phénomène fut publiée à peine deux ans après la publication de la théorie d’Einstein par le physicien Italien Tullio Levi-Civita qui découvrit une solution exacte des équations du champ d’Einstein correspondant à la "gravité magnétique".

Mais voici quelques années, Maccone fit remarquer que la solution proposée par Levi-Civita ressemblait remarquablement à la classe de trous de vers suggéré par Thorne et Morris pour le roman de Sagan. "La solution de Levi-Civita, explique Maccone, décrit en fait un trou de ver magnétique". Toutefois un trou de ver qui serait fabriqué à partir d’un champ magnétique serait si vaste que seule une petite partie pourrait être contenue dans un laboratoire. Maccone dénomme ce fragment un "micro trou de ver".

Selon Maccone, si nous parvenions à créer un trou de ver à partir d’un champ magnétique d’une intensité de 2.5 T, le rayon de courbure de l’espace intérieur – décrivant la taille du trou du ver – serait d’environ 17 fois la distance du Soleil à Sirius située à 8.7 années-lumière de la Terre ! Il est donc inconcevable d’imaginer la création d’un champ magnétique d’un milliards de milliards de teslas pour obtenir un rayon de courbure de 1 mètre afin de faire tenir le trou de ver dans l’espace d’un laboratoire...

Maccone admet que créer un tel champ magnétique pour détecter un trou de ver est de loin au-delà de nos moyens actuels – le champ le plus intense réalisable en laboratoire étant d’environ 10 T. Mais il fait remarquer que le champ magnétique à la surface d’une étoile neutron est voisin de 10 milliards de teslas et pourrait spontanément créer un trou de ver magnétique.

Cela dit, personne ne comprend encore comment le champ magnétique affecterait la topologie de l’espace. La question reste donc ouverte, avis aux chercheurs.

La matière exotique

Mais il y a un autre problème. Il ne suffit pas de trouver un moyen de créer un trou de ver, encore faut-il le maintenir ouvert. L’espace contenu dans un trou de ver est enroulé de manière si artificielle qu'il faut quelque chose pour maintenir sa bouche ouverte, sinon il se ferme en un clin d’œil, au rythme des fluctuations quantiques.

En 1988, Thorne et Morris découvrirent que leurs solutions générales ne fonctionnaient que s’ils considéraient de la "matière exotique". Cette matière serait capable de repousser les parois du trou de ver à la manière d’une gravité répulsive. 

La gravité répulsive n’est pas une notion aussi folle qu’elle paraît. Selon Einstein, deux propriétés distinctes de la matière contribuent à créer sa gravité. L’une est la quantité d’énergie contenue dans un volume unitaire de matière, c’est ce qu'on appelle la "densité d’énergie", qui est égale à sa densité multipliée par le carré de la vitesse de la lumière. Cette quantité est toujours positive.

La seconde contribution vient de la pression exercée par la matière sur son environnement, à l’image d’un gaz exerçant une pression sur les parois d’un container dans lequel il serait enfermé. En principe la pression peut être positive ou négative.

Généralement cette force de pression est très faible comparée à la grande quantité d’énergie potentielle contenue dans la matière. Mais Thorne et Morris ont envisagé un type particulier de matière contenant une pression négative. Cette matière exotique présente une tension qui ressemble à la force de tension d’un ressort. En fait sa pression négative est si forte qu’elle dépasse la densité d’énergie. Dans un corps ordinaire comme l'acier par exemple, la force de tension 12 ordres de grandeur (1012 fois) plus petite que sa densité d'énergie. Cette pression négative change le "signe" de l’enroulement spatial, faisant de la gravité non plus une force attractive mais répulsive. A quoi ca ressemble ? Personne n'en sait rien !

Ce que nous savons en revanche, c'est que du point de vue d'un observateur traversant un trou de ver, la matière exotique présente une densité d'énergie négative. Or, le champ gravitationnel du trou de ver doit toujours présenter une densité de masse positive. On peut donc en déduire que globalement, aux yeux d'un observateur extérieur, le trou de ver semblerait avoir une masse positive, nulle ou négative.

Pour préserver un trou de ver de l'effondrement, plusieurs solutions ont été proposées. La matière exotique est une étrange chose, même pour les physiciens. Cela étant, nous avons vu à propos de la théorie inflationnaire, que certains théoriciens ont envisagé son existence dans les tout premiers instants de la création de l’Univers. L’immense expansion de l’Univers que nous avons connu aurait été provoquée par rien d’autre que cette force de gravité répulsive contenue dans cet état de "faux vide quantique" dont la pression était largement négative. On peut donc trouver dans les théories cosmologiques modernes un moyen de maintenir un trou de ver macroscopique ouvert qui se serait formé à partir d’un minuscule trou de ver à l’époque de l’inflation.

Les effets d'un trou de ver

Un objet macroscopique de masse négative serait quelque chose de remarquable. Non seulement, il posséderait une force gravitationnelle répulsive, mais il provoquerait également des effets sur la lumière, le rendant détectable depuis la Terre. Ce sont ces effets que Cramer[5] et ses collègues ont étudié.

Trois effets ont été prédits dont les détails sont développés dans mon livre :

- Un déplacement de la masse du trou de ver (l'"entrée" gagnant de la masse au détriment  de la "sortie" du trou de ver)

- Une fluctuation lumineuse inhabituelle (similaire aux lentilles gravitationnelles)

- Une augmentation de l'éclat des étoiles (effet de caustique)

Réflexion des rayons lumineux dans un miroir hémisphérique. Le même phénomène se produit quand on regarde à travers le cul d'une bouteille de vin. Lorsque la lumière est déviée par une masse négative, un phénomène similaire se produit. Les rayons près de l'axe optique sont plus fortement déviés que ceux situés loin de l'axe. Les rayons s'accumulent littéralement de chaque côté de la lentille sous la forme de ce que les opticiens et aujourd'hui les physiciens appellent une caustique. 

Heureusement pour les astronomes, il n'est pas nécessaire de lancer un programme spécial de recherche de telles signatures optiques pour détecter un objet de masse négative car les astronomes essayent déjà de dépister la mystérieuse "matière sombre" qui enveloppe la Voie Lactée. Jusqu'à présent, les équipes ont détecté plusieurs objets sombres dans le halo galactique, les fameux "astrophysical compact halo objects" ou MACHOs.

Par ironie, Cramer et ses collègues ont appelé leurs objets astrophysiques compacts du halo à gravité négative des GNACHOs, un terme générique comprenant la bouche des trous de vers et tout autre astre imaginable ayant une masse négative.

La Voie Lactée contient-elle des GNACHOs ? Morris et ses collègues s'emballèrent rapidement lorsqu'ils observèrent un double pic dans les données d'une lentille gravitationnelle enregistrées par l'expérience OGLE en 1994. Toutefois une analyse minutieuse de la caustique révéla qu'elle était subtilement différente de celle prédite pour un GNACHO. L'équipe n'avait pas découvert un trou de ver mais quelque chose de tout aussi exotique : deux trous noirs en orbite l'un autour de l'autre ![6]

Avec cette soudaine relance d'activités, il semble que les trous de vers ne résident plus tout à fait dans les lointaines provinces Incognita de la science-fiction. Mais à moins que les chercheurs de GNACHO soient très chanceux, et à condition que les nombreux problèmes théoriques et pratiques soient résolus, il s'écoulera quelques temps avant que l'on puisse prendre un ticket pour la nébuleuse de la Lagune et voyager à travers l'un d'entre eux !

Modification des constantes de la nature

En 1987, Stephen Hawking découvrit certaines conséquences du principe de cohérence. Ses résultats indiquent qu'un trou de ver spatio-temporel modifie les lois de la physique quantique et altère les constantes fondamentales de la nature de manière non prévisible.

En 1988, Sidney Coleman de l'Université d'Harvard contesta les conclusions de Hawking et fustigea ses calculs, prétendant au contraire que les trous de vers fixent les valeurs de certaines constantes physiques de manière spectaculaire. D'autres théoriciens se sont joints à la polémique, supportant les conclusions de Coleman mais certains s'y sont opposés.

Hawking juge qu'un traitement particulier de la gravitation quantique doit inclure les effets de la géométrie microscopique des trous de vers. 

Une telle géométrie représente un "bébé univers" (l'intérieur du trou de ver) qui se ramifie en multiples excroissances rejoignant autant d'univers macroscopiques.

La suite de cette passionnante aventure est décrite dans mon livre :

2005, année mondiale de la Physique

A cette occasion je vous propose mon premier livre

Un siècle de Physique 

1 - La Physique Quantique

340 pages illustrées préfacées par Jacques Leclerc

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Cliquer sur l'image pour plus de détails.

Pour plus d'informations

L'Univers dans une coquille de noix, Stephen Hawking, Odile Jacob, 2002

Stephen Hawking's Universe (3 DVD NTSC, Région 1), PBS Home Video, 2000

Trous noirs et bébés univers et autres essais (1993), Stephen Hawking, Odile Jacob, 2000

White Holes and Wormholes, Andrew Hamilton

"Principles of gravity manipulation and “Stargate”-technology via Quantum Vacuum", Journal of Theoretics, Vol.4, No.4, 2002

"Wormholes in spacetime and their use for interstellar travel: A tool for teaching general relativity'', M.Morris et K.Thorne, American Journal of Physics, 56, 395-412, 1988

'Time machines : time travel in physics, metaphysics and science fiction, Paul J. Nahin. AIP Press, Springer-Verlag, 1999.

Références scientifiques : Léonard Parker, Klaus Scharff.

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[1] A.Einstein et N.Rosen, Physical Review, 48, 1935, p73.

[2] R.Morris et K.Thorne, American Journal of Physics, 56,1988, p395 - K.Thorne et al., Physical Review Letters, 61, 1988, p1446.

[3] Claudio Maccone, Journal of the British Interplanetary Society, vol 48, p453, 1995.

[5] Cramer et al., American Journal of Physics, 51, p3117, 1983.

[6] Cramer et al., Science, 268, p643.


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