Relativité particulière. C'est le fléau des explorateurs de l'espace, des futuristes et des auteurs de science-fiction depuis qu'Albert Einstein l'a proposé pour la première fois en 1905. Pour ceux d'entre nous qui rêvent qu'un jour les humains deviendront une espèce interstellaire, ce fait scientifique est comme une couverture humide. Heureusement, il y a quelques concepts théoriques qui ont été proposés qui indiquent qu'un voyage plus rapide que la lumière (FTL) pourrait encore être possible un jour.
Un exemple populaire est l'idée d'un trou de ver: une structure spéculative qui relie deux points éloignés dans l'espace-temps qui permettrait un voyage spatial interstellaire. Récemment, une équipe de scientifiques de l'Ivy League a mené une étude qui a montré comment les «trous de ver traversables» pouvaient être une réalité. La mauvaise nouvelle est que leurs résultats indiquent que ces trous de ver ne sont pas exactement des raccourcis et pourraient être l'équivalent cosmique de «prendre le long chemin»!
À l'origine, la théorie des trous de ver a été proposée comme une solution possible aux équations de champ de la théorie de la relativité générale (GR) d'Einstein. Peu de temps après la publication de la théorie par Einstein en 1915, les physiciens allemands Karl Schwarzschild ont trouvé une solution possible qui prédit non seulement l'existence de trous noirs, mais de couloirs les reliant.
Malheureusement, Schwarzschild a constaté que tout trou de ver reliant deux trous noirs s'effondrerait trop rapidement pour que quoi que ce soit passe d'un bout à l'autre. Ils ne pourraient être traversés que s'ils étaient stabilisés par l'existence de matières exotiques à densité d'énergie négative. Daniel Jafferis, le professeur agrégé de physique Thomas D. Cabot à l'Université Harvard, avait une opinion différente.
Comme il a décrit son analyse lors de la réunion d'avril 2019 de l'American Physical Society à Denver, Colorado:
«La perspective de configurations de trous de ver traversables est depuis longtemps une source de fascination. Je décrirai les premiers exemples qui sont cohérents dans une théorie de la gravité complétable par UV, n'impliquant aucune matière exotique. La configuration implique une connexion directe entre les deux extrémités du trou de ver. Je discuterai également de ses implications pour l'information quantique en gravité, du paradoxe de l'information du trou noir et de sa relation avec la téléportation quantique. »
Aux fins de cette étude, Jafferis a examiné les travaux effectués par Einstein et Nathan Rosen en 1935. Cherchant à approfondir les travaux de Schwarszchild et d'autres scientifiques cherchant des solutions aux ressources génétiques, ils ont proposé l'existence possible de «ponts» entre deux points éloignés dans l'espace-temps (connu sous le nom de «ponts Einstein-Rosen» ou «trous de ver») qui pourrait théoriquement permettre à la matière et aux objets de passer entre eux.
En 2013, cette théorie a été utilisée par les physiciens théoriciens Leonard Susskind et Juan Maldacena comme résolution possible du GR et de «l'intrication quantique». Connue sous le nom de conjecture ER = EPR, cette théorie suggère que les trous de ver sont la raison pour laquelle un état de particules élémentaires peut s'emmêler avec celui d'un partenaire, même s'ils sont séparés par des milliards d'années-lumière.
C'est à partir de là que Jafferis a développé sa théorie, en postulant que les trous de ver pouvaient en fait être traversés par des particules de lumière (alias photons). Pour tester cela, Jafferis a effectué une analyse avec l'aide de Ping Gao et Aron Wall (un étudiant diplômé de Harvard et chercheur à l'Université de Stanford, respectivement).
Ce qu'ils ont découvert, c'est que s'il est théoriquement possible que la lumière du sapin traverse un trou de ver, ils ne sont pas exactement le raccourci cosmique que nous espérions tous qu'ils soient. Comme Jafferis l'a expliqué dans un communiqué de presse de l'AIP, "il faut plus de temps pour traverser ces trous de ver que pour aller directement, donc ils ne sont pas très utiles pour les voyages dans l'espace."
Fondamentalement, les résultats de leur analyse ont montré qu'une connexion directe entre les trous noirs est plus courte que celle d'une connexion de trou de ver. Bien que cela sonne certainement comme une mauvaise nouvelle pour les personnes qui sont excitées par la perspective d'un voyage interstellaire (et intergalactique) un jour, la bonne nouvelle est que cette théorie fournit un nouvel éclairage sur le domaine de la mécanique quantique.
«L'importance réelle de ce travail réside dans sa relation avec le problème d'information du trou noir et les liens entre la gravité et la mécanique quantique», a déclaré Jafferis. Le «problème» auquel il fait référence est connu sous le nom de paradoxe de l'information sur les trous noirs, quelque chose avec lequel les astrophysiciens se débattent depuis 1975, lorsque Stephen Hawking a découvert que les trous noirs ont une température et une fuite lente de rayonnement (aka. Hawking radiation).
Ce paradoxe concerne la façon dont les trous noirs sont capables de conserver toute information qui y passe. Même si toute matière accrétée à leur surface serait compressée au point de singularité, l'état quantique de la matière au moment de sa compression serait préservé grâce à la dilatation temporelle (elle se fige dans le temps).
Mais si les trous noirs perdent de la masse sous forme de rayonnement et finissent par s'évaporer, ces informations seront finalement perdues. En développant une théorie à travers laquelle la lumière peut voyager à travers un trou noir, cette étude pourrait représenter un moyen de résoudre ce paradoxe. Plutôt que le rayonnement des trous noirs représentant une perte d'énergie de masse, il se pourrait que le rayonnement de Hawking provienne en fait d'une autre région de l'espace-temps.
Cela peut également aider les scientifiques qui tentent de développer une théorie qui unifie la gravité avec la mécanique quantique (alias la gravité quantique, ou une «théorie de tout»). Cela est dû au fait que Jafferis a utilisé des outils de théorie quantique des champs pour postuler l'existence de trous noirs traversables, supprimant ainsi le besoin de particules exotiques et de masse négative (qui semblent incompatibles avec la gravité quantique). Comme l'explique Jafferis:
«Il donne une sonde causale de régions qui auraient autrement été derrière un horizon, une fenêtre sur l'expérience d'un observateur à l'intérieur d'un espace-temps, accessible de l'extérieur. Je pense que cela nous apprendra des choses profondes sur la correspondance jauge / gravité, la gravité quantique et peut-être même une nouvelle façon de formuler la mécanique quantique. »
Comme toujours, les percées en physique théorique peuvent être une épée à double tranchant, donnant d'une main et emportant de l'autre. Donc, même si cette étude a peut-être jeté plus d'eau froide sur le rêve du voyage FTL, elle pourrait très bien nous aider à percer certains des mystères les plus profonds de l'Univers. Qui sait? Peut-être que certaines de ces connaissances nous permettront de trouver un moyen de contourner cette pierre d'achoppement connue sous le nom de relativité restreinte!
