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19 janvier 2009
par Jean-Paul Baquiast

Vivons nous à l'intérieur d'un trou noir cosmique ?

Dans un article du 1er août 2008 présentant le dernier livre du physicien américain Leonard Susskind, The Black Hole War(1), nous avions indiqué que ce dernier avait réussi, conjointement avec le physicien néerlandais Gerard t'Hooft, a convaincre Stephen Hawking du fait que l'information entrant dans un Trou noir ne disparaissait pas en conséquence de l' « évaporation » de ce dernier par radiation (Hawkin's radiation). Elle pouvait être retrouvée à condition de faire appel à d'autres théories que celles de la gravité, regroupée dans ce que l'on dénomme la gravitation quantique. Susskind et t'Hooft, ainsi que le jeune physicien argentin Juan Maldacena, ont montré que les questions relatives à ce que devient l'information dans l'évolution des trous noirs peuvent être abordées dans le cadre d'une théorie différente ne faisant pas appel à la gravitation et permettant de conserver l'information, en conformité avec les bases de la physique quantique.

On pourrait ainsi envisager dans le cadre de la nouvelle théorie de produire expérimentalement des trous noirs au sein desquels on pourrait suivre l'histoire de l'information. Celle-ci se retrouverait à l'identique au cours de l'évaporation du trou noir. On les détecterait à partir des fluctuations quantiques microscopiques se produisant à la frontière du trou noir, sur son horizon. Ce ne serait pas dans l'esprit des auteurs avec des trous noirs galactiques géants que l'on pourrait procéder à de telles expériences, mais peut-être avec des trous noirs microscopiques, si les futurs accélérateurs de particules permettent d'en produire qui soient suffisamment stables.

Ceci a conduit 't Hooft, suivi par Susskind, à développer l'hypothèse holographique(2). Celle-ci postule que ce qui constitue notre monde, jusqu'à nous-mêmes, compose un hologramme projeté jusqu'aux confins de l'espace. Les informations constituant cet hologramme seraient émises par la face interne de l'enveloppe d'un trou noir gigantesque au sein duquel se serait développé notre univers. La dernière partie de The Black Hole War développe les différents aspects de cette hypothèse, qui sont difficilement accessibles aux non spécialistes, malgré le talent pédagogique de Leonard Susskind : anti-Espace De Sitter (ADS), branes, conjecture de Maldacena, trous noirs extrêmes (extreme black holes) et principe holographique lui-même. Quoiqu'il en soit, tout ceci restait jusqu'à présent du domaine de la théorie mathématique et ne paraissait pas pouvoir recevoir de preuves expérimentales.

La situation est peut-être en train de changer radicalement

Tout récemment, des faits nouveaux semblent avoir été observés. Des preuves de l'hypothèse holographique pourraient peut-être être obtenues, d'une façon tout à fait inattendue, comme c'est souvent le cas en science(3). Si ces hypothèses se révélaient exactes, il s'agirait d'une véritable révolution. Depuis quelques mois, les responsables du grand laboratoire germano-britannique pour la détection des indes gravitationnelles, installé prés de Hanovre, le GEO600 (ci- contre une photo aérienne)., avaient fait une observation curieuse(4). L'équipement, extrêmement précis et délicat, n'avait pas détecté d'ondes gravitationnelles mais un bruit de fond persistant, qui résiste aux différentes épreuves visant à éliminer les nombreuses sources parasites polluant l'expérimentation

Il s'agit, selon un des responsables du GEO600, Karsten Danzmann de l'Institut Max Plank pour la physique gravitationnelle à Postdam, d'un bruit bien particulier se situant dans les fréquences situées entre 300 et 1500 hertz. Pour le physicien américain Carl Logan, récemment nommé directeur du Centre pour l'astrophysique des particules au sein du Fermilab, il s'agit peut-être de la réception d'émissions traduisant l'agitation quantique de l'espace-temps. Celle-ci produirait des unités discrètes d'espace-temps, ou grains, dont la taille se situerait à la longueur dite de Planck. Mais celle taille (10-35 mètre) serait trop petite pour pouvoir être observable directement. Les grains d'espace-temps ainsi produits pourraient par contre être observés indirectement, s'ils faisaient l'objet d'une projection holographique provenant des frontières de l'univers et dirigées vers l'intérieur d'un gigantesque trou noir, un trou noir supposé correspondre à notre propre univers.

Le trou noir présente la propriété d'augmenter la taille des informations correspondant à celles qu'il émet par évaporation à partir de sa frontière, si elles sont renvoyées vers l'intérieur de cette frontière, laquelle forme un volume par définition plus petit. Dans le cas d'un trou noir à la taille de l'univers, les grains d'espace-temps, d'une taille calculée de 10-16 mètre, pourraient alors être détectés par les instruments actuels.

Nous simplifions l'exposé de cette question difficile, en renvoyant à l'article cité de Marcus Chown. Disons que les prédictions de Carl Logan quant à la fréquence des émissions provenant de la frontière d'un trou noir cosmologique correspondent à peu près aux émissions détectées par Karsten Danzmann avec le GEO600. Ceci voudrait dire qu'en ce cas, l'on observerait directement les quanta de temps, ou plus petits intervalles de temps possibles dans l'hypothèse où le temps serait quantifiable. Ils correspondraient à la longueur de Planck divisée par la vitesse de la lumière.

Mais tout ceci resterait à vérifier. Pour cela, il faudrait construire des observatoires directement dédiés à la mesure du bruit holographique supposé et à celle des phénomènes associés. Une solution relativement économique consisterait pour ce faire à construire un interféromètre faisant appel à des rayons d'atomes ultra-froids travaillant dans des longueurs d'onde plus petites que la lumière et donc plus facile à réaliser ;

Sur le plan théorique, la confirmation du principe holographique aiderait à choisir entre les hypothèses de la théorie des cordes, éliminant certaines d'entre elles et en confirmant d'autres. On pourrait peut-être alors commencer à comprendre comment l'espace-temps peut émerger du monde quantique. Mais, comme on vient de le voir, il ne faut pas anticiper.

Ajoutons une observation personnelle. La situation observationnelle ainsi décrite et les hypothèses en découlant conduisent à articuler deux séries d'hypothèses qu'a priori rien n'obligeait à lier : le fait que l'espace-temps soit quantifiable aux conditions limites et le fait que nous vivions dans un gigantesque trou noir en expansion. Pour le sens commun, la seconde hypothèse est autrement plus stupéfiante que la première, laquelle a priori n'intéresse que les physiciens théoriciens. Il est donc un peu surprenant de constater que l'hypothèse du trou noir est formulée non à partir d'expérimentations visant à la mettre spécifiquement à l'épreuve, mais indirectement en appui d'une expérience apparemment minuscule intéressant des anomalies possibles dans les enregistrements d'un détecteur d'ondes gravitationnelles resté jusqu'à présent muet en ce qui concerne l'existence de ces dernières. Ainsi va la science.

Notes
(1)Voir notre présentation du livre "The Black Hole War"
(2) Sur l'hypothèse holographique, voir "The Holographic principle dans Wikipedia" : http://en.wikipedia.org/wiki/Holographic_principle
" Concernant les trous noirs, le principe dit que la description de tous les objets qui y tombent est entièrement contenue dans les fluctuations de surface de l'horizon du trou noir. Par extension, il suggère que l'univers entier peut être considéré comme une structure d'information en deux dimensions peinte sur l'horizon cosmologique de l'univers. Les trois dimensions que l'on y observe ne constituent qu'une description valable aux basses énergies. L'holographe cosmologique n'a pas encore été décrite mathématiquement avec précision, car l'horizon cosmologique à une surface finie qui s'accroît avec le temps."
(3)Voir l'article de Marcus Chown dans le NewScientist du 17 janvier 2009, p 24, dont nous nous sommes inspirés ici, et sur le site
http://www.newscientist.com/article/mg20126911.300-our-world-may-be-a-giant-hologram.html
(4)Sur le GEO600, German-english Observatory, voir le site http://geo600.aei.mpg.de/

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