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27/04/2011

Lumière - documentaire de Straubinger

Bande-annonce :


Commentaires du réalisateur :
[…] Il me faut toutefois insister sur le fait qu'il ne m'importe pas de « retourner » le spectateur sceptique. Mon film est le résumé d'une recherche de plusieurs années, une recherche qui m'a transformé. Je n'attends cependant pas cela du spectateur. Le scepticisme est permis et même souhaité, mais il ne doit pas se transformer en étroitesse d'esprit. […]

Critique #1 : « LUMIERE »  encourage à renoncer à la nourriture et fait de la propagande pour l’anorexie.

[…] A plusieurs reprises, mon film met en garde directement et indirectement contre les expériences individuelles ou faites avec légèreté. Il n'aborde pas seulement le thème des cas mortels. Il insiste aussi explicitement sur le fait que le corps peut subir de graves dommages si on se lance dans le renoncement à la nourriture par ambition ou comme une fin en soi, et cela même si on y croit.

[…] Lorsque le lauréat du prix Nobel de physique Brian Josephson me dit dans l'interview :
« Tant qu'elle ignorera les effets spirituels, la science physique sera dans un cul de sac », il est raillé comme ésotérique par les matérialistes. Il est pourtant sur la même ligne que d'autres lauréats du Nobel de physique tels que Wolfgang Pauly ou Erwin Schrödinger.

Dans ce sens, mon film n'est pas un plaidoyer pour l’ « inédie », mais pour l'ouverture d’esprit et la remise en cause de la vision matérialiste du monde.

source : http://www.jupiter-films.com/fiche-actualite.php?id=14

Interview filmé (14 mn):


24/07/2009

L'univers est Un…


niels-bohr_einstein.jpg[...] L'Univers n'est pas un ensemble d'objets

A la fin des années 1960, deux chercheurs, Simon Kochen et Ernst Specker, ont montré que la mécanique quantique prédisait d’autres bizarreries peu compatibles avec une telle vision.

Si des théories déterministes non locales étaient encore possibles, elles ne pouvaient pas être non contextuelles car le théorème aujourd’hui connu sous le nom de Kochen-Speker (KS) établissait que le formalisme de la théorie quantique impliquait une contextualité.

Mais qu’est-ce que la contextualité ?

C’est une propriété de la mécanique quantique qui appuie les conceptions de Bohr et renforce l’idée que le monde n’est fondamentalement pas dans l’espace et dans le temps, qu’il existe un réel voilé, selon l'expression de Bernard d’Espagnat.

On ne peut pas découper l’Univers, sauf de façon approximative, en un ensemble d’objets séparés dans l’espace et dans le temps et possédant aussi des propriétés indépendantes de l’état de chacun de ces objets.

Extrait de l'article paru sur futura-sciences.

02/10/2008

Comment la conscience agit sur l'espace et le temps

source : http://www.futura-sciences.com

La magie de la mécanique quantique semble inépuisable si on la prend vraiment au sérieux. Une expérience récente, effectuée par Jean François Roch et ses collègues de l'ENS Cachan, a permis de réaliser, bien mieux qu'auparavant, l'expérience dite du choix retardé proposée il y a moins de 30 ans par le grand John Wheeler. Tout en vérifiant les prédictions de la mécanique quantique, elle montre que celle-ci est encore plus folle que ses créateurs avaient pu l'imaginer en 1927.

De gauche à droite Einstein, Yukawa et John Wheeler
De gauche à droite Einstein, Yukawa et John Wheeler

De quoi s'agit-il ?

Pour le comprendre, il faut revenir à l'expérience de la double fente avec des électrons et qui sert d'introduction aux concepts quantiques dans tous les bons ouvrages comme ceux de Landau, Penrose et évidemment Feynman. On considère, pour cela, une fente double séparant une source d'électrons en haut et un écran en bas. Si les électrons étaient des ondes, et passaient donc simultanément par les deux fentes, on aurait sur l'écran une alternance de bandes claires et sombres, les fameuses franges d'interférence que l'on obtient aussi avec de la lumière dans le cas de l'expérience des trous d'Young. Cette situation est représenté sur le schéma ci-dessous.

Crédit : Doris Jeanne Wagner
Crédit : Doris Jeanne Wagner

Si les électrons étaient comme des balles tirées par une mitrailleuse et passant par une seule fente ouverte, on aurait une série d'impacts discrets distribués selon une courbe continue. L'ouverture d'une autre fente ne changeant que peu cette courbe mais donnant un résultat très différent du cas ondulatoire comme on le voit sur le schéma suivant.

Crédit : Doris Jeanne Wagner
Crédit : Doris Jeanne Wagner

En réalité, comme l'expérience le démontre dans des conditions appropriées et en reprenant les mots de Feynman, les électrons et les photons sont complètement cinglés. Si les deux fentes sont ouvertes, et que l'on s'assure que les électrons passent un par un au travers, on enregistre sur l'écran une série d'impacts discrets mais dont la distribution avec suffisamment d'électrons se fait selon les franges d'interférence d'une onde !

Crédit : Doris Jeanne Wagner
Crédit : Doris Jeanne Wagner


Enregistrement des impacts d'électrons créant au final une figure d'interférence

C'est la fameuse fonction d'onde psi de Schrödinger qui permet de décrire quantiquement un système physique et dont le carré donne la probabilité d'observer un état donné de ce système. La conclusion semble inévitable. Bien qu'indivisible, l'électron est passé par les deux fentes à la fois ! Maintenant, si l'on essaye de savoir par quelle fente l'électron est passé, en fermant l'une d'entre elles, par exemple, ou en essayant de détecter avec une faible lumière un électron sortant des fentes, ceci afin de le perturber le moins possible, les franges d'interférence disparaissent et on retrouve un comportement purement corpusculaire pour l'électron.

Le carré de la fonction d'onde psi donne la probabilité d'observer une particule en un point. A gauche on a déterminé par quelle fente est passée la particule, à droite non.
Le carré de la fonction d'onde psi donne la probabilité d'observer une particule en un point. A gauche on a déterminé par quelle fente est passée la particule, à droite non.
Crédits : nanotech.sc.mahidol.ac.th

Ceci est bien sûr une conséquence des inégalités de Heisenberg et du principe de Complémentarité de Bohr. Les électrons et autres « particules » quantiques ne sont en réalité ni des ondes ni des particules mais quelque chose d'autre dont les attributs classiques, trajectoire, vitesse, localisation, n'apparaissent qu'en fonction du dispositif expérimental donné. Pour être provocateur, la réalité n'existerait donc fondamentalement pas dans l'espace et le temps et les objets au sens classique n'existeraient pas sans un observateur (peut-être pas nécessairement humain) pour les observer ! C'est en tous cas une interprétation possible de la mécanique quantique.

Ce trop court aperçu des phénomènes quantiques suffit déjà pour se rendre compte à quel point la mécanique quantique choque l'intuition et soulève d'importantes questions presque métaphysiques. John Wheeler et d'autres, comme Bryce De Witt, W.H Zurek et John Bell, ont beaucoup réfléchi sur les paradoxes de la mécanique quantique. Il en est sorti le livre suivant, "J. Wheeler and W. Zurek, (eds.) Quantum Theory and Measurement, 1983", où l'on peut trouver la proposition de Wheeler d'une expérience avec double fente mais choix retardé. Tournons-nous donc maintenant vers celle-ci.

A la base, il s'agit de reprendre l'expérience de la double fente, dans les conditions les plus idéales possibles, et de ne considérer que le passage d'un électron ou d'un photon à travers cette double fente. On prendra le cas avec des photons. Au lieu de déterminer le passage d'un photon au moment où il traverse les fentes, on attend que l'onde lumineuse du photon ait largement dépassé celles-ci. Au dernier moment, l'observateur se donne le choix soit de laisser l'écran E pour obtenir des franges d'interférence, soit de le remplacer par une série de deux télescopes T1 et T2 focalisés sur chacune des fentes. Dans ce dernier cas, on peut montrer que cela revient à observer une trajectoire pour le photon.


Schéma de l'expérience de Wheeler. Au dernier moment on choisit soit un écran E soit deux télescopes T.
Crédits : www.npl.washington.edu

C'est là que l'expérience devient stupéfiante. Bien qu'ayant dépassé les deux fentes, c'est le choix de l'observateur qui va déterminer dans le passé par quelle fente le photon a voyagé, par une ou par les deux en même temps ! Si vous vous sentez pris de vertige, tant mieux ! C'est le critère que Niels Bohr avait adopté pour déterminer si quelqu'un avait vraiment pris conscience de ce qu'est la mécanique quantique.

Si vous pensez que c'est complètement absurde alors il va vous falloir rendre les armes. De telles expériences avaient déjà été faites par le passé mais elles souffraient toujours d'imperfections. Elles donnaient toujours raison à la mécanique quantique cependant. Or, dans le papier aujourd'hui publié par Jean François Roch et Alain Aspect (dont on se souvient qu'il avait été l'auteur d'une expérience retentissante sur l'effet EPR) ceux-ci et leurs collègues décrivent une variante de l'expérience de Wheeler avec cette fois-ci un interféromètre de Mach-Zender. Bien qu'apparemment différente, cette expérience conserve le principe de choix retardé de Wheeler, et surtout elle permet d'obtenir des mesures beaucoup plus proches d'une situation idéale.

Le résultat est tombé, la mécanique quantique fonctionne impeccablement et donne exactement ce que John Wheeler avait prédit !

Au vertige va peut-être maintenant succéder la folie, alors accrochez-vous !

Jusqu'à présent, les notions de temps et d'espace viennent de se briser avec cette expérience, à l'échelle humaine. C'est peut être encore acceptable. Passons maintenant avec John Wheeler à l'échelle des galaxies ! Plus précisément, observons avec deux télescopes un effet de lentille gravitationnelle où une galaxie à un milliard d'années-lumière dédouble l'image d'un quasar situé à deux milliards d'années-lumière. On est encore dans un cas avec deux trajectoires possibles pour les photons émis par le quasar. En répétant l'expérience de Wheeler c'est, cette fois-ci, au niveau des galaxies et à un milliard d'années dans le passé qu'un observateur humain va déterminer le chemin pris par un photon !

Plus fort encore, et toujours selon Wheeler. Si j'imagine qu'il y a une fonction d'onde de l'Univers, alors, peut être que ce qui a provoqué sa réduction, et la naissance de notre Univers classique à partir d'une « particule quantique » de la taille de la longueur de Planck il y a 13,7 milliards d'année, c'est justement le fait qu'il y aurait plus tard des systèmes classiques collecteurs d'informations, comme les êtres humains, et effectuant une observation sur celui-ci ! Après tout, EPR nous avait déjà habitué à une non-localité dans l'espace, dans un Univers avec espace-temps il est somme toute logique que la non-localité soit aussi dans le temps !

Cette théorie peut sembler complètement folle, mais elle l'est assez pour être exacte, et comme le fait remarquer Andrei Linde, qui peut savoir le rôle exact de la conscience dans la structure physique de l'Univers ?

Article du 27 février 2007

21/08/2008

Peut-on ressusciter le chat de Schrödinger ?


Source : http://www.futura-sciences.com/fr/sinformer/actualites/ne...

Par Laurent Sacco, Futura-Sciences


Le chat de Schrödinger est l'un des paradoxes bien connus de la mécanique quantique.
Ces dernières années, les progrès expérimentaux et la théorie de la
décohérence ont jeté une vive lueur sur ce problème. Une nouvelle
expérience à l’Université de Santa Barbara vient de compliquer quelque
peu ce dernier.

 

En mécanique quantique, le monde est ordinairement représenté dans une superposition d’états. Ainsi, si l’on considère un électron
enfermé dans une boîte pouvant à volonté se scinder en deux boîtes tout
aussi hermétiquement closes, un paradoxe connu sous le nom de «
paradoxe de De Broglie » est facile à dériver de la théorie.

 

Prenons l’une des boîtes et transportons là à
Pékin, alors que la première est laissée à Paris. Selon la mécanique
quantique, en l’absence d’observation pour vérifier dans quelle boîte
se trouve l’électron, il n’est pas possible de dire qu’il se trouve
soit dans la boîte restée à Paris, soit dans celle de Pékin tant qu’on
n’a pas ouverte l’une d’entre elles.

 

Si on le fait, on prédit d’autres résultats
d’expériences que la réalité ne vérifie pas comme le montre par exemple
celles avec les photons
intriqués (expérience EPR). Il faut imaginer que l’électron est dans
une sorte de superposition de deux états de position, décrits par un
vecteur à deux composantes dans un plan avec des axes
perpendiculaires. Les carrés de ces composantes donnent la probabilité
de trouver ce dernier dans l’une des boîtes.

 

Lors d’une expérience, le vecteur d’état «
s’effondre » alors pour coïncider avec l’un des axes sur lequel il est
projeté. La probabilité de trouver l’électron dans une des boîtes lors
d’une seconde mesure est alors certaine.

 

Aussi étrange que cela paraisse, il faut imaginer
que l’électron est simultanément en deux endroits à la fois avant une
mesure et c'est en cela que consiste le paradoxe de De Broglie.

 

Mais, si l’on n’imagine que sa masse, et donc son
énergie, est répartie d’une certaine façon en deux fragments dans
chaque boîte, alors, lors d’une mesure, il faudrait en déduire que de
l’énergie a circulé plus vite que la lumière pour donner un seul électron entier à Paris ou à Pékin.

 

La relativité restreinte interdit cela et il faut donc en conclure que les objets classiques dans l’espace et le temps
n’existent pas vraiment et que seule une observation fait passer les
objets du monde quantique flou et étrange à la réalité bien tangible et
localisée dans l’espace et le temps de la mécanique classique. Une
situation que le grand John Wheeler exprimait par la phrase suivante : « Aucun phénomène n’est un phénomène réel (entendez par là au sens classique) tant qu’il n’est pas observé » et qui est au coeur de l'interprétation de Copenhague de la mécanique quantique.

 

 

Le prix Nobel Louis de Broglie.

 

La mesure joue donc un rôle particulier en
mécanique quantique. La situation la plus bizarre qui en découle est
celle du paradoxe du chat de Schrödinger où un chat enfermé dans une
boîte avec un atome
radioactif, capable de déclencher par sa désintégration la libération
d’un gaz mortel, est à la fois mort et vivant tant que l’on n'a pas
ouvert la boîte, parfaitement isolée du reste de l'Univers, pour
vérifier si l’atome s’était désintégré ou pas. En effet, à cause de l'intrication quantique,
l'atome et le chat forment un seul objet décrit quantiquement. On
n'observe jamais une telle superposition quantique et l'on est donc
conduit à un paradoxe, à moins de rejeter les lois de la mécanique
quantique.

 

La résolution de ce paradoxe, partiel d’une
certaine façon, est de faire remarquer que, malgré tout, rien dans
l’Univers n’est complètement isolable de toute interaction et qu’une
faible interaction de l’atome avec son environnement existe quand même,
qui va provoquer ou non sa désintégration, et forcer l’état du système
à se projeter en un temps assez bref pour un objet macroscopique dans
le monde réel. Voilà pourquoi on n’observe jamais de chat à la fois
mort et vivant. C'est ce que dit la théorie de la décohérence et les expériences le vérifient.

 

Toutefois, selon une interprétation de la mesure en mécanique quantique proposée il y a quelques années par Yakir Aharonov,
il existerait des mesures dites faibles où l’effondrement du vecteur
d’état n’est pas vraiment complet. Un chat de Schrödinger « mort »
pourrait donc être d’une certaine façon ressuscité dans un état à la
fois mort et vivant si l’on s’y prend bien.

 

Cette théorie viendrait d’être testée avec des qubits
par Nadav Katz de l’Université de Santa Barbara et elle semble
effectivement être correcte. Les résultats des expériences ont été
publiés sur arXiv et la communauté des physiciens va devoir maintenant
se pencher sur ces derniers. Ce résultat surprenant, montrant une fois
de plus le caractère très étrange et défiant notre intuition du monde
quantique, sera donc peut-être confirmé, ou infirmé, dans les mois ou
les années à venir. A suivre donc !

 

25/03/2008

Vers une nouvelle physique ?


Les mésons B nous apportent-ils une nouvelle physique ?
Par Laurent Sacco, Futura-Sciences

Une asymétrie dans le comportement de certains intriguent les physiciens. Selon certains, la violation de la symétrie CP observée avec ceux-ci n’est pas compatible avec les équations du modèle standard. Une nouvelle physique devrait intervenir, comme de la supersymétrie ou des dimensions spatiales supplémentaires, et elle serait donc observée pour la première fois en accélérateur.

La large prédominance de la matière sur l’antimatière dans l’Univers est une des grandes énigmes de la cosmologie. Pourtant, les physiciens ont avancé plusieurs réponses possibles dont l’une fait intervenir ce qu’on appelle la violation CP. Observée depuis les années 1960 dans l’oscillation des mésons K, elle est aujourd'hui traquée dans les produits de désintégration des mésons B comportant au moins un quark dit beau.

Selon la théorie de la chromodynamique quantique, les hadrons, comme les protons et les mésons, sont composés de six types de quarks qui peuvent se transformer les uns dans les autres, à cause de l’interaction électrofaible, selon des probabilités données. L’information codant quel quark peut se transformer en tel autre, et selon quelle fréquence, se trouve dans un tableau de nombres à trois lignes et trois colonnes, la matrice de Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM).

Cette matrice possède plusieurs paramètres libres qui ne sont pas prédits par le modèle standard des interactions mais celui-ci leur impose tout de même des bornes et leurs valeurs ne sont donc pas totalement arbitraires. En particulier, la matrice CKM autorise certains mésons à se désintégrer en d’autres particules d'une manière légèrement différente de celle de leur anti-méson associé.

Le phénomène est particulièrement net dans le cas de certains mésons qui oscillent à une certaine fréquence pour se transformer en un autre bien défini, qui à son tour redeviendra à nouveau le méson d’origine. Le phénomène a été observé dans l’oscillation des mésons K0-K0barre dont l’un est l’anti-méson de l’autre. Surtout, il est beaucoup plus important dans le cas des mésons B.

Pour cette raison, de véritables usines à mésons B ont été construites car, en étudiant la violation CP, on espérait en apprendre davantage sur une nouvelle physique, au-delà du modèle standard, qui, elle, fixerait les valeurs des paramètres libres de la matrice CKM.

Or, on savait que si le modèle expliquant l’asymétrie matière-anti-matière de notre Univers était bien celui faisant intervenir la violation CP, celle obtenue dans le cadre du modèle standard avec la matrice CKM était bien trop faible pour rendre compte des observations. Voilà pourquoi les résultats qui viennent d'être annoncés par une équipe française, italienne et suisse sont particulièrement intéressants.


Figure 1. Oscillations entre quarks au sein d'un méson Bs. Les anti-particules sont signalées par une barre au-dessus de leur lettre. Par échange de bosons, les quarks s (étranges) deviennent des t (top) puis des b (beaux). Les oscillations des deux quarks étant liées, le méson Bs devient un anti-Bs. Crédit : Fermilab

Une différence trop grande entre matière et anti-matière

Luca Silvestrini et ses collègues ont combiné les résultats obtenus au cours des dernières années par les expériences CDF et DØ du Fermilab. Ils se sont concentrés sur une paire de mésons B neutres bien particulière, les mésons Bs, composés d’un anti-quark beau et d’un quark étrange, noté s (pour strange en anglais). Ceux-ci oscillent en leur anti-particule, composée d’un quark beau et d’un anti-quark étrange, plus de trois mille milliards de fois chaque seconde.

Comme on peut le voir sur la figure 1, l’un des quarks ou anti-quarks peut se transformer en un quark ou un anti-quark top en émettant un boson W (vecteur de l’interaction faible), puis par absorption d'un W, redevenir un quark beau ou étrange.

Ces oscillations entre matière et antimatière sont responsables d’effets violant la symétrie CP dans les produits de désintégration. En clair, un peu plus de matière que d’antimatière (ou vice versa) est produite avec des nombres égaux de méson Bs et d’anti-mésons Bs initiaux. Ce que les analyses de l’équipe montrent, c’est que l’asymétrie obtenue dépasse les bornes autorisées par la matrice CKM !

Les cas enregistrés sont encore trop peu nombreux pour conclure que l’effet observé n’est pas une simple fluctuation statistique due au hasard. Les physiciens restent donc prudents mais, selon eux, le phénomène observé avait seulement 0,3 % de chance d’être un effet du hasard.

L’excitation monte... Nous sommes peut-être en présence d’un effet de violation CP qui, cette fois, aurait contribué de manière importante à la victoire de la matière sur l’anti-matière au début de l’Univers. De surcroît, on tiendrait là le premier signe concret de nouveaux termes dans les équations de la physique des particules qui ne sont pas naturellement contenus dans le modèle standard. En particulier, des particules supersymétriques pourraient jouer le rôle des bosons W et des quarks top en contribuant à modifier ce qui se passe dans les oscillations et les désintégrations des mésons B.

Une équipe japonaise travaillant sur la collaboration Belle vient elle aussi de publier les résultats d’études sur les oscillations des mésons B dans Nature et elle trouve à nouveau une violation CP plus importante que ne le permet le modèle standard. Tout ceci est de bon augure car ces observations signifient que les chances d’aboutir à une nouvelle physique grâce au LHC sont en train d’augmenter !

Vue aérienne du Fermilab montrant le Tevatron et le MI (Main Injector). Crédit : Fermilab
Vue aérienne du Fermilab montrant le Tevatron et le MI (Main Injector). Crédit : Fermilab

25/02/2008

Les limites de la connaissance physique

Source : Canal-U

Il n'est pas indifférent que dans ce cycle de conférences sur "tous les savoirs", la question des limites de la connaissance n'ait été posée qu'à la physique. C'est sans doute son statut implicite de science modèle qui lui vaut cet honneur. C'est aussi que, depuis le début du vingtième siècle, la physique s'est à elle-même posé la question. " L'homme devrait garder son humilité devant la nature puisque la précision avec laquelle il peut l'observer rencontre des limitations intrinsèques. " Ainsi l'Encyclopædia Britannica conclut-elle son article sur le "principe d'incertitude" de Heisenberg. De fait, la révolution quantique a donné lieu à d'abondantes exégèses sur ce thème : l'impossibilité de mesurer à la fois la position et la vitesse des corpuscules signalerait une limite absolue de nos connaissances. La Nature elle-même refuserait de se laisser dévoiler, et notre science la plus avancée buterait ainsi sur des frontières infranchissables. L'impossibilité de dépasser la vitesse de la lumière, mise en évidence par Einstein, a été interprétée dans la même veine : nous ne pouvons savoir ce qui s'est passé sur le Soleil durant les huit dernières minutes, faute qu'aucun signal ne puisse nous en prévenir. Mais avec un recul de quelques décennies, cette conception résignée, traduite par des vocables qui paraissent aujourd'hui pour le moins inadaptés (relativité, incertitudes), a perdu sa pertinence. Loin d'imposer des bornes à notre savoir, ces découvertes ont au contraire permis à notre compréhension de considérables progrès, en réorientant nos conceptualisations et nos interrogations. Elles ont montré l'inadéquation au réel de nos formulations antérieures. Si certaines questions (" Que se passait-il sur le Soleil il y a deux minutes ? ", " Où est l'électron et à quelle vitesse va-t-il ? ") n'admettent pas de réponses, c'est qu'elles sont dépourvues de pertinence. De même, la question " Qu'y a-t-il sur la Terre à 30.000 kilomètres au Sud de Paris ? " est-elle rendue caduque par la rotondité de la Terre et la connaissance de sa circonférence (40.000 kilomètres) ; dira-t-on pour autant que cette découverte impose une limitation à la géographie ? Les mutations théoriques de la physique du vingtième siècle n'ont nullement découvert des limites intrinsèques à notre connaissance scientifique, mais, bien au contraire, lui ont ouvert de nouveaux espaces. En témoigne l'approfondissement considérable de notre maîtrise, intellectuelle mais aussi matérielle, du monde quantique.





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13/02/2008

Notre Univers est-il fini et chiffonné ?

Par Laurent Sacco, Futura-Sciences

Un Univers clos, de taille finie, et d'une topologie différente de celle d’une sphère : cet audacieux modèle de Jean-Pierre Luminet et de ses collègues prend aujourd'hui un peu plus de poids. Deux publications récentes comparant quelques-unes de ses prédictions et les observations du rayonnement fossile indiquent des résultats encourageants.

Déjà en 2003, les résultats fournis par WMap sur le spectre de puissance des fluctuations dans le rayonnement fossile pouvaient être interprétés comme une indication d’un taille finie de notre Univers. Mieux, on pouvait aussi y trouver des indices en faveur d’une topologie particulière de l’espace, une possibilité étudiée depuis des années par Jean-Pierre Luminet et certains de ses collaborateurs, comme les astrophysiciens Marc Lachièze-Rey et Roland Lehoucq.

Pour comprendre de quoi il s’agit, nous prendrons l'exemple d'un Univers fictif (voir la figure 1), en forme de cylindre sur lequel se balade un petit insecte. On peut construire un tel Univers en partant d’un carré et en identifiant deux de ses bords. L’opération revient à coller ceux-ci et l’on voit que tout se passe comme si l’insecte se déplaçant sur le carré et voulant sortir de celui-ci rentrait automatiquement dans ce même carré mais par le bord opposé.

 

Figure 1. La longueur d'onde des fluctuations de densité est limitée par la taille d'un univers se refermant sur lui-même. Schéma a : une créature vivant à la surface d'un cylindre se déplace et revient à son point de départ après avoir fait un tour complet. Schéma b : un cylindre découpé se transforme en un carré et le trajet de la créature sort par le côté droit pour entrer par le côté gauche. Schéma c : un tore plat est aussi construit à partir d'un carré dont on identifie les côtés opposés ; un tel espace est dit multi-connexe. Schéma d : des ondes se propageant dans un univers torique ne peuvent pas avoir une longueur d'onde supérieure au côté du carré. Pour construire un espace multi-connexe à trois dimensions, on identifie deux à deux les faces d'un polyèdre, un cube par exemple. Dans une telle configuration, la forme des ondes autorisées à se propager dépend de la géométrie de l'espace et de la façon dont les faces sont associées. Crédit : OBPSM

Une des caractéristiques d’un tel Univers à deux dimensions où vivraient des être bidimensionnels est que des rayons lumineux émis par des objets pourraient faire le tour de cet Univers et donner lieu à des images fantômes, laissant croire à un observateur qu’il est dans un monde infini peuplé d’un très grand nombres d’objets possédant des formes identiques.

Si l’on identifie les deux autres bords du carré, cela revient à coller les sommets du cylindre et on obtient un nouvel Univers en forme de pneu, possédant la même géométrie plate que le précédent et les mêmes images fantômes indiquant un Univers infini.

Notre propre Univers pourrait bien ressembler à un Univers en forme de tore, avec une géométrie plate (voir la figure 2).


Figure 2 

Notre Univers apparaît en effet comme remarquablement homogène et isotrope, avec des régions de l’espace occupées par un rayonnement fossile dont la température est identique à un degré de précision époustouflant. Sa géométrie spatiale est très proche de la géométrie euclidienne. On comprend mal comment un tel Univers a pu émerger du Big Bang, alors que les régions qui le composaient n’avaient pas eu le temps d’échanger de la chaleur à la vitesse de la lumière pour atteindre ce remarquable degré d’homogénéité dont témoigne le rayonnement fossile.

Une solution est bien sûr la théorie de l’inflation, très favorisée par les données de WMap, mais une autre est de dire que notre Univers est en réalité bien plus petit que l’on ne le croit et qu’en conséquence, les régions que nous observons avaient eu le temps de communiquer entre elles au moment du Big Bang. Sa grande taille ne serait qu’une illusion d’optique similaire à celle que nous avons décrite avec les exemples précédents.

L'apparente infinité de notre Univers est-elle une illusion d'optique ?

Lorsque l’on veut étudier les formes possibles de l’espace, on utilise une théorie mathématique appelée la topologie. Ainsi une sphère et un ballon de rugby sont topologiquement équivalents, car l’on peut déformer l’une en l’autre sans faire de trou. Ce n’est pas le cas d’un tore et d’une sphère.

Jean-Pierre Luminet et ses collègues ont donc cherché des alternatives à l’inflation pour expliquer les caractéristiques étonnantes de l’Univers en utilisant des Univers topologiquement différents mais de taille finie plus petite que celle déduite des observations avec des modèles classiques d’Univers à la Friedmann-Lemaître (Robertson-Walker).

Le meilleur candidat pour coller aux observations de WMap semble être le dodécaèdre de Poincaré. Pour comprendre de quoi il retourne considérons une sphère avec un pavage en forme de ballon de football :


Figure 3. Crédit : OBSPM

Cela revient à considérer un dodécaèdre :


Figure 4. Crédit : OBSPM

On joue ici le même jeu qu’avec le carré initial en deux dimensions mais on a affaire à un polyèdre en trois dimensions dont on va identifier les côtés opposés. On obtient ainsi une sorte de multi-tore mais qui n’en est pas vraiment un. L’espace dodécaédrique de Poincaré (PDS), en gros, c’est cela...

Or, de même qu’une corde peut osciller selon différents modes stationnaires dépendant de la longueur de la corde, un instrument de musique, comme un tambour ou un violon, ne pourra  produire que des sons caractéristiques de sa taille et de sa forme. Ainsi, lors de la « création » de l’Univers observable, le fluide de particule occupant l’Univers était animé de modes de vibrations dépendant de la forme géométrique de notre Univers, de sa composition en particules et aussi de sa topologie.

Dans le cas d’un Univers fini possédant une topologie obtenue par identification des faces d’un polyèdre donné, on peut calculer, en théorie du moins, les modes possibles d’oscillations et faire des prédictions sur la forme précise du spectre du rayonnement fossile. Remarquablement, certains des Univers finis avec une topologie dite multiplement connexe conduisent donc à des hypothèses testables et, si nous vivons dans un de ces Univers, nous pouvons le savoir !

La figure 5 montre quelques exemples d’Univers avec topologie multiplement connexe — Luminet parle d’Univers chiffonnés —, avec la structure du rayonnement fossile à laquelle ils conduisent.

 


Figure 5. Crédit : New Scientist

Depuis, l’année 2003 et la publication dans Nature d’un article dans lequel Jean-Pierre Luminet et ses collègues proposaient le Poincare Dodecahedral Space(PDS), les chercheurs ont progressé dans le calcul du spectre de puissance que devait avoir le rayonnement fossile.
Ainsi, 1,7 milliard de modes vibrationnels sont maintenant connus et pris en compte dans la comparaison avec les données de WMap. Il en résulte que le modèle PDS fait aussi bien que le modèle Lambda CDM (constante cosmologique-matière noire) avec un Univers plat, infini et à la topologie simplement connexe, alors que dans le premier on est en présence d’un Univers clos, donc fini, et à la topologie multiplement connexe. Si l’on considère la densité totale de l’Univers ramené à celle de la densité critique, on trouve alors pour ce rapport 1,018 .


Figure 6. Cliquez sur l'image pour l'agrandir. Spectres de puissance comparés pour les données expérimentales de WMap (barres d'erreur verticales), pour le modèle théorique LambdaCDM (courbe en pointillés) et pour le modèle PDS (courbe pleine). Crédit : OBSPM

Comment départager les deux théories ?

Peut–être en suivant la voie explorée depuis des années par Boudewijn Roukema, à la tête d’une équipe polonaise qui, elle aussi, annonce avoir obtenu des résultats encourageants en faveur du modèle PDS.

Examiné de près, le processus d’identification des faces du dodécaèdre conduit à des corrélations entre les images que l’on peut obtenir de la surface de dernière diffusion (voir la figure 7), correspondant pour chaque observateur dans l’Univers au moment où le rayonnement fossile a été émis. On montre que ces corrélations reviennent à considérer des intersections des images de ses surfaces sphériques et qu’elles conduisent à toute une série de cercles anti-podaux le long desquels les corrélations sont observables.


Figure 7. Une topologie multiconnexe se traduit par le fait que tout objet de l'espace peut se présenter en de multiples exemplaires au sein de l'univers observable. Pour un objet étendu comme la région d'émission du rayonnement fossile, appelée surface de dernière diffusion, celle-ci peut s'auto-intersecter le long de paires de cercles. En ce cas, cela revient à dire qu'un observateur (situé nécessairement au centre de cette surface de dernière diffusion) verra la même région de l'univers dans différentes directions. En conséquence, les fluctuations de température seront identiques le long des paires de cercles d'auto-intersection de la surface de dernière diffusion, comme le montre la figure.
Cette carte du rayonnement fossile a été calculée pour un espace plat multi-connexe, précisément un hypertore dont la taille est 3,17 fois inférieure au diamètre de l'horizon cosmologique. Crédit : OBSPM

Tout le problème, et il est de taille, est d’extraire de façon convaincante ces zones des mesures effectuées par WMap et de montrer qu’il existe bien des corrélations qui ne peuvent statistiquement se produire que de façon très improbable dans un Univers LambdaCDM. L’équipe de Boudewijn Roukema avait déjà obtenu il y a quelques années des résultats dans ce sens, et elle confirme à nouveau la possible présence de ces cercles.


Figure 8. Position des 12 cercles corrélés trouvés récemment dans les données WMap par une équipe franco-polonaise, en parfait accord avec le modèle PDS. Les centres des cercles correspondent aux centres des faces du dodécaèdre fondamental, déterminés par leurs coordonnées galactiques. La probabilité pour que le modèle LambdaCDM plat et infini reproduise par hasard une telle configuration n'est que 7 %. Crédit : OBSPM

Malheureusement, même si ces résultats sont plus précis, ils ne sont toujours pas probants. En revanche, on peut penser que les choses vont s’améliorer avec le lancement prochain du satellite Planck par l’Esa.

Quelques considérations de cosmologie quantique

Pour finir, si l’on se place du point de vue de la cosmologie quantique, on sait depuis longtemps que des Univers clos à courbure positive sont favorisés par l’approche reposant sur l’intégrale de chemin de Feynman. Comme l’ont montré Stephen Hawking et James Hartle avec leur modèle sans bord et utilisant le temps imaginaire, il est plus naturel, mais pas démontré, de considérer des Univers clos que des Univers infinis.


James Hartle. Crédit : University of California, Santa Barbara

En adoptant l’approche de la théorie des cordes, qui introduit des objets géométriques topologiquement compliqués comme les espaces de Calabi-Yau et les orbifolds, il est également plus naturel de considérer l’espace-temps macroscopique comme une partie d’un espace-temps multidimensionnel et topologiquement multiconnexe qui serait entré en expansion aux dépens d’autres dimensions qui, elles, seraient restées microscopiques.

Inutile de dire que dans le cadre des discussions actuelles, souvent chaudes, sur le principe anthropique, le Landscape, les cerveaux de Boltzmann,  la possibilité d’un Univers fini ne manquera pas d’être appréciée...

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Voir le documentaire sur la théorie des cordes

05/11/2007

Big Bang, trous de vers, et univers parallèles

Les trous noirs sont-ils à l'origine de nouveaux Univers ?

Par Laurent Sacco, Futura-Sciences

Les équations de la gravitation quantique à boucles appliquées à la naissance de l’Univers semblent prédire un pré-Big Bang et une absence de singularité initiale. Appliqués à l’intérieur d’un trou noir, de nouveaux calculs conduisent à une conclusion similaire : les trous noirs seraient à l’origine d’autres Univers connectés au nôtre.

La physique et la cosmologie du XXième siècle ont été dominées par deux théories cadres importantes : la théorie de la relativité générale d’Einstein et la mécanique quantique. Malheureusement, ces deux théories décrivant l’une l’infiniment grand et l’autre l’infiniment petit entrent en contradiction lorsqu’on cherche à les appliquer simultanément dans deux situations où elles doivent intervenir : l’intérieur d’un trou noir et le début de l’Univers. Dans les deux cas on considère des régions de l’espace plus petites qu’une particule élémentaire et avec une courbure de l’espace-temps colossale.

Une idée proposée dès la fin des années 1950 suppose que, de la même manière que la mécanique quantique arrête l’effondrement d’un électron sur le noyau d’un atome et produit des niveaux d’énergies discrets, un traitement quantique de la géométrie de l’espace-temps éviterait l’effondrement de la matière à l’intérieur d’un trou noir et effacerait la singularité prédite par les équations de la relativité générale classique. Comme l’expansion de l’Univers dans le cadre de la théorie du Big Bang ressemble beaucoup à l’effondrement d’une étoile mais avec le sens du temps inversé, on s’attend à ce que là aussi la singularité de l’espace-temps, caractérisée par une valeur infinie de la courbure de celui-ci et une densité infinie de matière, disparaisse.

Récemment, en utilisant une des théories possibles pour unifier les lois de la gravitation d’Einstein et la mécanique quantique, la gravitation quantique à boucles ou Loop Quantum Gravity (LQG), Martin Bojowald avait prolongé un peu plus loin les travaux de ses collègues appliquant la LQG au problème du Big Bang.

Ses travaux de cosmologie quantique montraient en effet qu’une forme simplifiée et résolvable des équations de la LQG éliminait effectivement la singularité initiale du Big Bang. On pouvait même parler d’un « avant le Big Bang » constitué d’un cycle sans fin d’expansions et de contractions.

Comme d’autres, Christian Böhmer et Kevin Vandersloot ont alors entrepris d’utiliser l’analogie, géométrie de l’espace-temps interne d’un trou noir et géométrie d’un Univers en expansion, pour appliquer les nouvelles techniques de la LQG afin de tenter de mieux comprendre ce qu’il advient de la matière et de l’espace-temps à l’intérieur d’un trou noir.

Un espace-temps qui ne serait pas continu

Là encore, l’idée principale utilisée est celle d’une modification de la géométrie de l’espace-temps qui de continue devient discrète. Comme Lee Smolin et Carlo Rovelli l’ont montré en 1995, il apparaît en LQG tout comme en mécanique quantique des opérateurs pour les variables physiques. Comme l’on traite de géométrie quantique on a aussitôt affaire à des opérateurs de surface et de volume limitant les valeurs que peuvent prendre ces quantités quand on les applique à un modèle cosmologique ou un trou noir. 

 

Crédit : Universe review

Sur le schéma ci-dessus, on a représenté le spectre de ces opérateurs et on l’a comparé à celui d’un atome d’hydrogène. Le terme spectre rappelle que les valeurs discrètes de l’énergie d’un électron dans un atome sont responsables du spectre lumineux en forme de raies que celui-ci absorbe ou émet. Par analogie, en mécanique quantique, on parle de spectre pour l’ensemble des valeurs que peut prendre une grandeur physique. Sur ce schéma on remarque que le spectre  tend vers une distribution continue lorsque l’on considère de grandes valeurs de l’énergie ou du volume (Principe de correspondance de Bohr). Ainsi, au fur et à mesure que l’on se rapproche du monde macroscopique, la granularité quantique s’estompe et une description continue, approximative, devient de plus en plus précise.

Deux évolutions possibles pour la géométrie et la matière dans un trou noir ?

En transposant les approximations et les calculs numériques de Martin Bojowald, les deux chercheurs ont alors trouvé que la géométrie interne d’un trou noir pouvait être modifiée de deux façons, également surprenantes.

Dans le premier cas, une sorte de trou de vers se forme connectant l’intérieur du trou noir avec un autre noir. Une solution analogue était déjà connue en relativité générale classique, elle peut même s’interpréter comme un pont entre deux Univers. Mais ici, la singularité séparant les deux trous noirs a été éliminée, sans même faire intervenir de l’énergie exotique comme dans le cas de la solution trou de ver traversable découverte par Kip Thorne vers le milieu des années 1980. La nature quantique de l’espace-temps introduit automatiquement une force répulsive lissant la singularité classique qui disparaît.

Dans le deuxième cas, peut-être le plus fascinant, la métrique interne se change en celle d’un véritable Univers avec un volume pouvant être infini, quand bien même cela se traduit par un volume extérieur fini pour l’observateur extérieur au trou noir. La solution trouvée décrivant cet Univers ressemble beaucoup à ce qu’on appelle une solution  de Nariai, avec une constante cosmologique et une charge électrique globale pour ce modèle cosmologique découvert il y a longtemps en relativité générale classique.


La théorie du pré-Big Bang (PBB) de Veneziano-Gasperini-Damour propose que notre Univers provienne d'une précédente phase de contraction d'une portion d'un autre Univers. Dans la théorie standard à gauche le temps a un commencement. Dans la théorie PBB le temps n'a ni début ni fin. Crédit : Universe review

Ces résultats sont des avancées significatives, mais il ne s’agit encore que d’approximations de calculs de gravitation quantique. On peut penser qu’ils représentent un comportement générique et que les conclusions qu’on en tire ne seront pas notablement changées le jour où des calculs complets pourront être vraiment menés. Toutefois, il est intéressant de voir que la LQG retrouve des résultats similaires à ceux obtenus par Gabriele Veneziano, Maurizio Gasperini et Thibault Damour dans le cadre des approches de pré-Big-Bang avec les supercordes. Là aussi, l’intérieur d’un trou noir pourrait donner naissance à un autre Univers. 


Dans la théorie PBB, notre Univers s'est créé dans un certain type de trou noir dans un Multivers éternel et incréé. L'effondrement, une fois atteintes une densité limite pour la matière et une courbure limite pour l'espace-temps se change en expansion. Crédit : Universe review

Dans les deux cas, quand un état limite de haute densité de matière et de courbure de l’espace-temps est atteint, l’effondrement est stoppé par l’apparition d’une force répulsive et un autre Univers en expansion se crée à partir du nôtre par bourgeonnement, un peu comme une petite bulle qui gonflerait à la surface d’un ballon pour finir par créer deux Univers distincts, connectés par un petit raccord.

Comme l’a proposé Lee Smolin au cours des années 1990, les deux théories principales et concurrentes pour la gravitation quantique, la LQG et la théorie des supercordes, pourraient bien être complémentaires.

Une série d'Univers connectés par des trous de vers.
Une série d'Univers connectés par des trous de vers.


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Voir le documentaire sur la théorie des cordes