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  • Hologrammes, trous noirs et la nature de l’Univers

    Posté le 8 décembre 2013

    Horizon_des_evenements

    Ce que l’on appelle le « principe holographique » est l’idée selon laquelle notre réalité en 3 dimensions serait en fait une projection de l’information stockée sur une surface lointaine à 2 dimensions. Tout comme l’emblème de votre carte de crédit, la surface 2D contient toute l’information nécessaire pour décrire un objet 3D, qui, dans le cas qui nous intéresse, est notre Univers. C’est seulement lorsqu’il est illuminé que l’hologramme révèle une image en 3 dimensions.

    Cette hypothèse soulève un certain nombre de questions : si notre Univers est une projection holographique, où se situe la surface à 2 dimensions qui contient toute l’information le décrivant ? Qu’est-ce qui illumine sa surface ? Qu’est-ce qui motiverait les physiciens à s’intéresser à quelque chose d’aussi étrange ? La réponse à cette dernière question a un rapport avec les trous noirs, qui se révèlent être des moyens de stockage de l’information de l’Univers. Pour comprendre pourquoi, il nous faut voyager au plus près d’un trou noir.

    Peu importe le trou noir que nous choisissons parce qu’ils se ressemblent essentiellement tous. Seulement quelques paramètres les distinguent : leur masse, leur charge électrique et leur moment angulaire. Une fois que l’on connait tous ces paramètres, on sait tout ce qu’il y a à savoir. L’information qui nous permettrait de savoir l’âge d’un trou noir ou bien ce qu’il a englouti depuis sa création est inaccessible. Quel que soit ce qui peut bien se trouver à l’intérieur, cela n’a aucun effet sur ce à quoi il ressemble de l’extérieur.

    Cette étrange qualité donne aux trous noirs ce que les physiciens appellent une entropie maximale. L’entropie décrit le nombre de manières différentes de réorganiser les éléments d’un objet (un système) sans que son apparence soit modifiée. Les pages d’un roman, comme le souligne Brian Greene, ont une très faible entropie parce que dès que vous changez une page de place vous avez un livre différent. L’alphabet a également une faible entropie : bougez une lettre et n’importe quel gamin de 4 ans vous dira que quelque chose ne va pas. Un tas de sable, par contre, a une entropie élevée : remplacez un grain de sable par un autre et personne ne verra la différence. Les trous noirs, eux, se ressemblent tous. Ils ont l’entropie la plus élevée.

    L’entropie est également une mesure de la quantité d’information qu’il faudrait pour décrire un système entièrement. L’entropie des objets ordinaires est proportionnelle à leur volume. Doublez le volume d’un ballon d’hélium, par exemple, et son entropie s’accroitra d’un facteur de 8. Mais dans les années 1970, Stephen Hawking et Jacob Bekenstein ont découvert que l’entropie d’un trou noir obéit à une règle d’échelle différente. L’entropie n’est pas proportionnelle au volume tri-dimentionnel du trou noir mais à sa surface à 2 dimensions, définit par sa frontière invisible appelée « horizon des évènements ».

    Par conséquent, alors que l’entropie d’un objet ordinaire est proportionnelle à son volume, l’entropie maximale qui pourrait théorétiquement être contenue dans l’espace occupé par son volume ne dépend pas de son volume mais de sa surface. La physique empêche l’entropie d’un objet de dépasser ce maximum : si jamais on essayait d’empaqueter autant d’entropie dans cet objet, il s’effondrerait en un trou noir.

    La conclusion inévitable est que toute l’information nécessaire pour décrire un objet 3D (un trou noir, un hamburger ou bien l’Univers tout entier) peut être exprimée en 2 dimensions. Cela suggère aux physiciens que la description la plus profonde de l’Univers et de ses éléments doit être contenue dans 2 dimensions spatiales et pas 3. Ceci nous ramène à l’hologramme.

    Les théoriciens ont été intrigués par l’idée qu’un jeu parallèle de lois physiques, opérant dans une dimension de moins, pourrait être capable de décrire notre Univers. Mais vérifier cette idée mathématiquement pour notre Univers était une tâche trop ardue. C’est pourquoi les physiciens ont commencé à l’étudier avec un exemple d’Univers beaucoup plus simple mathématiquement que celui dans lequel nous vivons : un Univers en forme de selle avec 4 dimensions spatiales et une dimension de temps.

    En 1997, le physicien théoricien Juan Maldacena a montré que la description mathématique de cet univers était identique à celle d’un autre type d’univers : un avec 3 dimensions spatiales, une de temps et pas de gravitation. La découverte de Maldacena était la première réalisation concrète du principe holographique et a rendu plus facile la tâche des théoriciens qui disposent maintenant de 2 approches pour chaque problème mathématique difficile. Ils peuvent choisir d’exprimer le problème en 5 dimensions avec gravitation ou peuvent opter pour la version à 4 dimensions sans gravitation.

    Rien de tout cela ne constitue une preuve que nous vivons dans un hologramme mais cela contribue à un ensemble de preuves indirectes suggérant que les lois de la physique peuvent en fait être écrites en moins de dimensions que celles dans lesquelles nous vivons. Ceci, combiné à l’utilité mathématique du principe holographique, est une motivation suffisante pour beaucoup de physiciens. Les autres questions sur lesquelles cet article a débuté (où se situe la surface à 2 dimensions qui contient toute l’information le décrivant ? Qu’est-ce qui illumine sa surface ?) restent non résolues mais si le principe holographique est juste, nous pourrions avoir à accepter l’idée que notre Univers est une sorte de fantôme cosmique, que la véritable action se produit ailleurs, sur une frontière que nous n’avons pas encore commencé à cartographier.

    Source : PBS

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