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Fabrication d'un trou de ver

Document T.Lombry.

Les effets d'un trou de ver (II)

Dans l'éventualité où l'on parviendrait à accumuler de la matière négative près de la bouche d'un trou  de ver statique, l'objet macroscopique résultant de masse négative serait quelque chose de remarquable, qu'il soit constitué de matière exotique ou de champs magnétiques. Non seulement, il posséderait une force gravitationnelle répulsive qui repousserait toute matière environnante, 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 :

- Un déplacement de la masse du trou de ver

- Une fluctuation lumineuse inhabituelle

- Une augmentation de l'éclat des étoiles

Déplacement de la masse

Un trou de ver recèle un premier phénomène inattendu. Lorsqu'une masse pénètre dans un trou de ver, "l'entrée" gagne de la masse. Toutefois, selon l'astrophysicien russe Igor Novikov, en même temps la sortie du trou de ver, l'autre extrémité, perd une quantité de masse correspondante. Selon la théorie de Novikov, même lorsque la matière a quitté l'autre bouche du trou de ver, elle laissera derrière elle son empreinte : l'une des extrémités du trou de ver conservera sa matière positive tandis que l'autre côté se comportera encore comme s'il avait perdu de la matière. Finalement dit Novikov, le trou de ver pourrait même acquérir une masse négative par réaction à une succession de transits.

Fluctuation lumineuse

Une technique de détection des trous de vers a été suggérée il y a quelques années par un groupe de physiciens américains comprenant Cramer et Morris. Elle implique la surveillance de millions d'étoiles distantes sur une période de plusieurs années. "En théorie explique Morris, si l'ouverture d'un trou de ver se trouve entre la Terre et une étoile, sa gravité affecterait la lumière de l'étoile qui devrait fluctuer de manière distincte et inhabituelle". Dans le détail, l'effet le plus spectaculaire se rattache à celui des lentilles gravitationnelles.

Augmentation de l'éclat des étoiles

Si un objet ordinaire, de masse positive, passe dans la ligne de visée reliant la Terre à une étoile, sa gravité va infléchir et amplifier la lumière de cette étoile comme une lentille convergente. C'est l'effet optique bien connu de "lentille gravitationnelle" dans lequel une masse sombre située dans notre ligne de visée déforme l'image d'un objet situé derrière elle.

La force de gravité répulsive d'un astre de masse négative modifierait également la trajectoire des rayons lumineux mais d'une autre manière. On s'attend à ce qu'elle agisse comme une lentille divergente cette fois, réduisant la lumière de l'étoile qu'elle viendrait à occulter. Toutefois, selon Cramer "ce n'est pas ce que nous avons obtenu dans nos calculs". En effet, Cramer a été surpris de découvrir que dans certaines circonstances, la masse négative d'un objet provoquerait une augmentation de la luminosité d'une étoile supérieure à l'effet d'une masse positive.

Ce résultat contraire à notre intuition trouve ses racines dans la nature particulière de la lentille gravitationnelle. "Quand la lumière traverse une lentille gravitationnelle classique explique Cramer, les rayons les plus déviés sont ceux situés loin de l'axe optique". Toutefois, l'inverse est également vrai pour une lentille gravitationnelle, étant donné que la déviation de la lumière s'affaiblit à mesure que la distance au centre du corps massif augmente.

Lorsque la lumière est déviée par une masse négative, 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. Cet effet optique est présenté ci-dessous.

Réflexion des rayons lumineux dans un miroir hémisphérique. Le même phénomène se produit quand on regarde à travers le cul d'une bouteille. 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 qu'on appelle une caustique.

Le même phénomène se produit quand on regarde à travers le cul d'une bouteille. L'image est non seulement déformée mais il se forme au centre un triangle plus brillant en forme de caustique. En effet, les rayons sont rejetés hors de l'axe et focalisent sur le bord de la lentille. Cette concentration de rayons lumineux de part et d'autre de l'objet signifie que lorsqu'il se déplace devant une étoile que l'on observe, on devrait observer deux soudaines augmentations de luminosité lorsque les rayons de la caustique situés de chaque côté de l'objet atteignent la Terre. "Cette signature en 'double pic' d'un objet présentant une masse négative est très distinctive" nous dit Morris.

La force de gravité répulsive de la matière exotique peut avoir un effet de loupe similaire, augmentant les chances des astronomes de trouver un trou de ver.

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. Depuis quelques années, trois équipes internationales d'astronomes surveillent de manière routinière la luminosité de millions d'étoiles distantes dans deux endroits très peuplés du ciel : dans le centre de notre Galaxie et dans le Grand Nuage de Magellan, l'une des deux petites galaxies satellites de la Voie Lactée. Leur objectif n'est pas de détecter des trous de vers mais de dépister la mystérieuse "matière noire" 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. L'évènement était surprenant car les scientifiques s'attendaient évidemment à découvrir un trou de ver. Toutefois, une analyse minutieuse de la courbe de lumière qui s'étalait sur 60 jours révéla que la caustique était subtilement différente de celle prédite pour un GNACHO. L'équipe conclut que 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] !

En fait Cramer et son équipe reconnaissent que détecter la signature d'un trou de ver est une entreprise très difficile : "C'est un 'shot' très long, je l'admets", dira Morris.

Avec cette soudaine suractivité, 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 GNACHOs 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 !

Trou de ver et voyage dans le temps

La plus grande surprise de toutes ces études est le fait que si les lois de la physique permettent d'utiliser les trous de vers pour voyager dans l'espace, alors ils fournissent également un moyen pour voyager dans le temps ! En effet, un trou de ver peut se transformer en machine à explorer le temps si on parvient à maintenir l'une des deux ouvertures fixe par rapport à un référentiel stellaire distant, tout en laissant l'autre bouche se déplacer.

Document Wallpapers.

Rappelons que de l'extérieur, la bouche d'un trou de ver qui ne serait pas constituée de matière exotique présente une force de gravité ordinaire. Vous pouvez la déplacer en utilisant l'attraction gravitationnelle d'un autre corps ou, en utilisant une charge électrique, la déplacer avec des champs électriques. Des horloges fixées dans la bouche en rotation avanceraient plus lentement que celles disposées dans une bouche statique; cette "dilatation du temps" par rapport aux horloges distantes est l'un des effets bien connu de la théorie de la relativité restreinte. Toutefois, ces horloges distances restent connectées aux horloges statiques à travers le trou de ver.

Ainsi, si vous pénétrez dans un trou de ver du côté de la bouche en rotation lorsque votre montre indique 12:00, vous ressortirez par la bouche statique pratiquement à 12:00 au lieu de bien plus tard. La dilatation du temps provoquée par la bouche en rotation a provoqué un ralentissement de son référentiel par rapport à la bouche statique; on peut donc utiliser un trou de ver pour remonter le temps.

Plus fort encore. Vous pouvez traverser ce trou de ver dans l'autre sens, entrant par la bouche statique pour ressortir par la bouche en rotation. A destination les horloges indiqueront une heure antérieure à celle affichée dans la bouche statique que vous venez de quitter ! En rebroussant chemin dans le trou de ver, vous arriveriez à votre point de départ plus tôt que vous ne l'aviez quitté ! Vous avez utilisé le trou de ver pour voyager dans le temps !

Ce phénomène n'est pas du domaine de la science-fiction. Il existe une surface dans le trou de ver, bien délimitée, où le premier cycle du voyage ne provoque aucun écoulement du temps, en amont de laquelle aucune remontée du temps n'est possible. En revanche, dans l'espace situé au-delà de cette limite, des voyages répétés à travers le temps sont possibles. Dans ces circonstances, il ne fait aucun doute que les voyageurs seront confrontés à tous les paradoxes du voyage temporel, et si cela est possible, nous devrons réévaluer nos idées familières de la causalité et de l'évolution temporelle. Un grand débat en perspective qui pourrait ne jamais prendre fin si le lieu de conférence est pris dans une boucle temporelle !

La notion de causalité

Depuis Newton et l'école primaire, nous savons que la cause précède l'effet, que le passé détermine le présent et le futur. Cette notion est profondément imprégnée dans la pensée scientifique, au point que nous aurions beaucoup de mal à croire le contraire.

Adaptation T.Lombry.

Une équipe de Caltech, en collaboration avec Igor Novikov de l'Institut de Recherche Spatiale de Moscou et d'autres physiciens, ont examiné les implications des propriétés d'un trou de ver utilisé pour voyager dans le temps. Ils ont abouti à la conclusion qu'il fallait compléter le principe de causalité par un principe de cohérence. L'évolution d'un système physique devrait être auto-cohérente, surtout lorsque nous considérons les influences du futur dans le passé. Cela signifie que si vous voyagez à rebours dans le temps et essayez de tuer vos parents avant votre naissance, votre arme ne fonctionnera pas ou vous raterez votre cible; puisque l'évènement reste lié à votre futur, la séquence des évènements tiendra compte des effets de votre tentative.

Les chercheurs ont découvert qu'un simple champ "libre" de l'espace-temps contenant un trou de ver évolue de manière cohérente et tout à fait déterminée à partir de n'importe quelles conditions initiales précisées et ce, bien avant la limite temporelle du trou de ver. En revanche, obtenir une évolution cohérente pour des conditions précisées en aval, après la limite du trou de ver est déjà plus problématique; les conditions initiales peuvent être réduites ou précisées à différentes époques.

Les systèmes en interactions présentent d'autres complications, généralement illustrées par le problème des "boules de billard" en collision dans un trou de ver spatio-temporel. Le principe de cohérence limite le nombre de conditions initiales possibles. En choisissant la bonne vitesse initiale, une boule de billard peut venir frapper les parois intérieures d'un trou de ver et voyager à rebours dans le temps pour finir par se frapper elle-même à mi-parcours dans le trou de ver, de manière cohérente. Si sa vitesse initiale est mauvaise, trop rapide, la boule va émerger de l'autre côté de la machine temporelle sans se frapper elle-même dans le trou de ver; ceci est exclu par le principe de cohérence. Mais il nous faut une théorie plus complète car, sous certaines conditions initiales, plus d'une solution cohérente peuvent exister.

Une boule peut par exemple traverser les bouches d'un trou de ver sans être perturbée ou elle peut être déviée dans le tunnel, voyager dans le temps et émerger de l'autre côté en y provoquant seulement alors la déviation. Les deux évènements sont des solutions cohérentes des mêmes conditions initiales.

Les chercheurs de Caltech et de Moscou ont résolu ce paradoxe en traitant les boules de billard selon les lois de la physique quantique. Vu sous cet angle, les deux résultats apparaissent avec une certaine probabilité, mais la distribution de probabilité des boules évolue de manière unique et cohérente.

Bien qu'il reste encore beaucoup de choses à comprendre, il apparaît que le voyage temporel pourrait être physiquement plus raisonnable qu'on l'imaginait jusqu'à présent. Finalement il ne reste qu'un seul problème à résoudre : trouver un moyen de fabriquer un trou de ver.

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 rejeta les conclusions d’Hawking et contesta ses calculs, prétendant au contraire que les trous de vers fixent les valeurs de certaines constantes physiques avec une précision 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. Hawking calcula que leurs contributions aux processus physiques étaient équivalentes à la simple interaction entre des particules élémentaires et des bébés univers. Il conclut qu'une telle interaction pourrait provoquer la perte d'information (dans le trou de ver) lors du passage des systèmes quantiques vers l'univers macroscopique. L'interaction pourrait également modifier les valeurs des constantes dans la théorie des particules élémentaires, d'une quantité qui dépend des états internes de tous les bébés univers possibles. Cela signifie que même si nous aboutissons à une "Théorie de Tout", elle serait inutilisable. Rien ne pourrait être calculable sans tenir compte avant toute chose d'un nombre infini de mesures pour déterminer toutes les modifications provoquées par les bébés univers.

Le "camp" des Coleman n'était pas d'accord avec lui. Ils argumentèrent que la perte d'information prédite par Hawking ne serait pas observable et proposèrent une solution plus étonnante encore : cette modification des constantes de la nature par les bébés univers pourrait résoudre le fameux problème de la constante cosmologique et plus encore.

En cosmologie, la constante cosmologique Λ est le coefficient d'un terme des équations du champ gravitationnel d'Einstein. Elle peut être interprétée comme la "densité d'énergie du vide", une densité qui demeure constante quand l'Univers s'étend ou se contracte. En effet, à l'inverse de la matière ou du rayonnement, le vide ne devient pas plus ou moins dense à mesure que le volume de l'Univers change; il demeure tel quel, le vide.

Document T.Lombry.

Einstein utilisa cette constante dans ses équations pour obtenir une solution décrivant l'Univers tel qu'on le connaissait dans les années 1920, c'est-à-dire rempli de matière mais statique, les astronomes de l'époque n'ayant pas observé de déplacement des galaxies. Si Einstein fit une erreur en insérant cette constante dans ses équations, on pense malgré tout aujourd'hui qu'il peut exister une constante cosmologique mais sa valeur serait très faible. Dans tous les cas les théoriciens sont embarrassés par cette constante.

La théorie des particules élémentaires prédit que l'énergie du vide se manifeste au travers des fluctuations quantiques, comme le fameux effet Casimir. La densité totale de l'énergie du vide est typiquement 120 ordres de grandeurs supérieure à ce que nous disent les observations ! Pour réconcilier théorie et expérience, les théoriciens doivent donc trouver un moyen pour que les contributions des différents types de particules s'annulent mutuellement jusqu'à 120 décimales ou bien ils doivent trouver une autre manière de se débarrasser de cette constante Λ.

Hawking suggéra en 1984 que la gravité quantique pouvait être la solution. Coleman sauta sur l'occasion pour invoquer les effets des trous de vers. Les trous de vers contribuent à ce qu'on appelle "la somme des classes d'équivalences d'histoires" dans une description de la gravité quantique.

Rappelons que les trous de vers jouent un rôle majeur dans cette théorie depuis qu'elle fut généralisée en 1948 par Richard Feynman à partir des lois de la physique quantique. Selon cette théorie, une particule n'a pas de trajectoire bien définie. Tout ce qu'on peut connaître c’est la probabilité de présence de la particule.

En gravité quantique, la sommation d'histoires à quatre dimensions devrait donner la probabilité pour que l'espace évolue d'une géométrie à trois dimensions vers une autre ayant un nombre de dimensions supérieures. Bien sûr, c'est une explication très grossière car la manière d'élaborer la sommation et son interprétation sont des problèmes très techniques qui occupèrent les théoriciens des décennies et restent encore mal compris. Hawking propose une méthode de sommations de classes d'histoires qui n’est pas acceptée unanimement.

Les théorèmes qui interdisent la formation d'un trou de ver dans un espace-temps classique tel que mentionné précédemment ne s'appliquent pas à l’univers à 4 dimensions. Aussi, les excroissances des trous de vers rejoignant des espaces plus vastes contribuent dans cette approche à la sommation des classes d'histoires pour produire les effets évoqués par Hawking et Coleman. Reste que personne ne sait vraiment si les mêmes effets se produiraient si la sommation est formulée différemment - en utilisant par exemple les géométries actuelles de l'espace-temps. Les chercheurs ont un avis très partagé sur ces questions.

Ainsi, Coleman prétend que si l’on tient compte des contributions des trous de vers microscopiques dans une sommation des classes d'histoires quantiques, elle est complètement dominée par les histoires dans lesquelles la constante cosmologique dans des régions de l'univers aussi vaste que la nôtre, est nulle. Toute observation visant à mesurer la constante doit dès lors donner zéro pour résultat. Par ailleurs, les histoires dominantes sont également celles pour lesquelles la constante de la gravitation de Newton ainsi que d'autres quantités physiques apparaissant dans la sommation, prennent leurs valeurs minimales. Ces conditions devraient déterminer tous les états internes des bébés univers - toutes les modifications des constantes de la nature selon Hawking - d'où les valeurs actuelles des constantes de la nature. Pas étonnant que Coleman appelle cela "le big fix", le grand remède.

Document Zeroone.

Le fait que la gravité quantique puisse avoir des effets aussi importants et qu'ils puissent être calculés, a conduit beaucoup de théoriciens à étudier le sujet depuis les années '90. Beaucoup de variantes des calculs originaux ont été publiés testant la validité des hypothèses qui étaient émises et examinent en détail des modèles particuliers de trous de vers ou pour trouver des effets particuliers observables dans l'univers ou au niveau subatomique.

Les arguments de Coleman et ses confrères présentent toutefois des lacunes pouvant invalider leurs conclusions. Certains calculs concernant les sommations des classes d'histoires indiquent par exemple que les histoires aboutissant à une constante cosmologique nulle ne sont pas dominantes contrairement à ce qu'ils prétendaient et sont aujourd'hui supprimées. Il n'est même pas certain que globalement l'approche de la gravité quantique telle que l'entrevoient Coleman, Hawking et d'autres soit bien définie. William Unruh de l'Université de Colombie Britannique a par exemple trouvé des résultats complètement aberrants de cette manière. Il prétend que Coleman et Hawking ont omis tout un ensemble de classes d'histoires dans leur sommation; lorsqu'elles sont prises en compte, la sommation donne une prédiction finie pour de nombreux processus physiques. Si Unruh a raison, cela signifie que les trous de vers microscopiques deviennent une approche par l'absurde de ce problème.

Même si les calculs de Coleman s'avèrent exacts, la théorie peut encore s'écrouler face au verdict de l'observation. Si la théorie force par exemple la constante de Newton vers une valeur minimale qui s'avère être nulle ou négative, c'est l'échec. Des résultats récents suggèrent également que la théorie prédit des masses de repos des particules élémentaires en flagrant désaccord avec les valeurs mesurées ou des densité pour les trous de vers spatio-temporaux en conflit avec la théorie des particules élémentaires.

Cette controverse est loin d'être terminée. Des trous de vers microscopiques peuvent nous apporter une nouvelle compréhension de la gravité quantique ou au contraire totalement invalider nos modèles actuels ou encore être des culs-de-sac sans le moindre intérêt.

Jusqu'à présent personne n'a jamais observé de trou de ver, grand ou petit. Toutes les idées que nous avons débattues sont des extensions hardies des théories raisonnablement bien fondées sur des cas d'école, mais cela l'est beaucoup moins dès qu'on aborde les modèles quantiques. Il est à espérer que les physiciens travaillant actuellement sur ces questions découvriront un jour des effets physiques au cours de leurs spéculations qui nous permettront d'avoir une approche expérimentale de ces phénomènes.

Pour plus d'informations

Les trous de ver, façon de se téléporter ?, J.-P. Luminet, YouTube

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

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

Traversable Lorentzian Wormholes: An Overview, Adam Getchell, 2003 (maths)

"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.

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

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


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