Trou de ver
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Un exemple de trou de ver dans une métrique de Schwarzschild tel qu'il serait vu par un observateur ayant franchi l'horizon du trou noir. La région d'où vient l'observateur est située à droite de l'image. Mise à part la région située proche de l'ombre du trou noir, les effets de décalage vers le rouge gravitationnel rendent le fond du ciel très sombre. Celui-ci est en revanche très lumineux dans la seconde région visible une fois l'horizon passé. Cette région ne sera cependant pas atteignable quelle que soit la trajectoire de l'observateur car celui-ci est condamné à finir sur la singularité gravitationnelle en un temps relativement bref.
Un exemple de trou de ver dans une métrique de Schwarzschild tel qu'il serait vu par un observateur ayant franchi l'horizon du trou noir. La région d'où vient l'observateur est située à droite de l'image. Mise à part la région située proche de l'ombre (Une ombre est une zone sombre créée par l'interposition d'un objet opaque (ou seulement partiellement opaque) entre une source de lumière et la surface sur laquelle se...) du trou noir (En astrophysique, un trou noir est un objet massif dont le champ gravitationnel est si intense qu’il empêche toute forme de matière ou de rayonnement de s’en échapper (à l'exception notable de...), les effets de décalage vers le rouge (Le décalage vers le rouge ou redshift est un phénomène astronomique de décalage vers les grandes longueurs d'onde des raies spectrales et de l'ensemble du spectre...) gravitationnel rendent le fond du ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.) très sombre. Celui-ci est en revanche très lumineux dans la seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La seconde...) région visible une fois l'horizon (Conceptuellement, l’horizon est la limite de ce que l'on peut observer, du fait de sa propre position ou situation. Ce concept simple se décline en...) passé (Le passé est d'abord un concept lié au temps : il est constitué de l'ensemble des configurations successives du monde et s'oppose au futur sur une échelle des...). Cette région ne sera cependant pas atteignable quelle que soit la trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et notamment par son centre de gravité.) de l'observateur car celui-ci est condamné à finir sur la singularité (D'une manière générale, le mot singularité décrit le caractère singulier de quelque chose ou de quelqu'un. En particulier, le terme est employé...) gravitationnelle en un temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) relativement bref.

À partir des équations de la relativité générale (La relativité générale, fondée sur le principe de covariance générale qui étend le principe de relativité aux...), en 1935 Einstein et Rosen découvraient que les singularités de l'espace-temps (La notion d'espace-temps a été introduite au début des années 1900 et reprise notamment par Minkowski en 1908 dans un exposé mathématique sur la géométrie...) formaient en réalité des puits gravitationnels de densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à...) et de courbure (Intuitivement, courbe s'oppose à droit : la courbure d'un objet géométrique est une mesure quantitative du caractère « plus ou moins courbé » de cet objet. Par exemple :) d'espace-temps infinis. Cette image fut reprise plus tard pour illustrer la géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis le...) des trous noirs. Les trous de ver (Les vers constituent un groupe très hétérogène d'animaux invertébrés qui partagent une caractéristique commune, à savoir un corps mou,...) font partie de cette famille.

Le concept d’un trou de ver (À partir des équations de la relativité générale, en 1935 Einstein et Rosen découvraient que les singularités de l'espace-temps formaient en réalité des...) consiste à créer un tunnel (Un tunnel est une galerie souterraine livrant passage à une voie de communication (chemin de fer, canal, route, chemin piétonnier). Sont...) entre la singularité du trou noir et celle du trou blanc (Un trou blanc (aussi appelé fontaine blanche) est un objet théorique susceptible d'exister dans l'univers, mais considéré comme hautement spéculatif et...). Un trou blanc (Le blanc est la couleur d'un corps chauffé à environ 5 000 °C (voir l'article Corps noir). C'est la sensation visuelle obtenue avec un spectre...) aussi appelé "fontaine blanche" est la symétrie d’un trou noir. Au lieu d’aspirer toute matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe...), le trou blanc l’expulse. Il crée, comme son petit frère, une courbure de l’espace-temps et se trouve à un point (Graphie) différent de l’univers de notre trou noir.

À noter que le trou de ver est un concept purement théorique : l'existence ou la formation physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la...) d'un tel objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est...) dans l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) est, à l'instar des trous blancs, considérée comme hautement spéculative.

À l'heure (L'heure est une unité de mesure  :) actuelle, il existe différents types de trous de ver. Tous sont des solutions mathématiques (Les mathématiques constituent un domaine de connaissances abstraites construites à l'aide de raisonnements logiques sur des concepts tels que les nombres,...) plutôt que des objets réalistes :

  • le trou de ver de Schwarzschild, infranchissable ;
  • le trou de ver de Reissner-Nordstrøm ou Kerr-Newman, franchissable mais dans une seule direction, pouvant contenir un trou de ver de Schwarzschild ;
  • le trou de ver de Lorentz à masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du...) négative, franchissable dans les deux directions.

Il existe des trous de ver à symétrie sphérique, tels ceux de Schwarzschild et de Reissner-Nordstøm, qui ne sont pas en rotation, et des trous de ver tels ceux de Kerr-Newmann qui tournent sur eux-même.

Si vous essayez de fabriquer un trou de ver à partir de matière à masse positive, il explosera en éclats. Si une matière à masse négative existe (Matière exotique), on peut en principe élaborer un trou de ver statique (Le mot statique peut désigner ou qualifier ce qui est relatif à l'absence de mouvement. Il peut être employé comme :) en accumulant des masses négatives.

La théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur l’observation ou...) d'Einstein précise que vous pouvez fabriquer n'importe quelle type de géométrie spatio-temporelle, statique ou dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :). Toutefois, une fois la géométrie définie, ce sont les équations d'Einstein qui vous diront quel devra être le tenseur d'énergie-impulsion de la matière pour obtenir cette géométrie. En général les solutions de trous de ver statiques requièrent une masse négative.

Dans tous les cas, la matière y étant soumise à une densité extrême et réduite à l’échelle de Planck, il n’y avait plus qu’un pas infinitésimal à franchir pour soumettre cet environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme environnement tend actuellement à...) aux fluctuations d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) de la théorie de la gravitation (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) quantique.

C’est ainsi que certains chercheurs soutiennent que les singularités peuvent déboucher sur des trous blancs ou fontaines blanches où jaillirait la matière rendue à sa liberté. Malheureusement, un trou blanc viole le second principe de la thermodynamique (On peut définir la thermodynamique de deux façons simples : la science de la chaleur et des machines thermiques ou la science des grands systèmes en équilibre. La première définition est aussi la première dans l'histoire. La...) qui veut que dans un système fermé ou dissipatif l'entropie (En thermodynamique, l'entropie est une fonction d'état introduite au milieu du XIXe siècle par Rudolf Clausius dans le cadre du second principe, d'après les...) ne peut pas décroître (dans ce contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le contexte d'un mot, d'une phrase ou d'un texte inclut les mots qui l'entourent. Le concept de contexte issu traditionnellement de l'analyse...), on ne peut pas créer de la matière à partir de rien, on a un effet mais pas de cause).

Sur le plan structurel, un trou de ver obéit à la géométrie de Schwarzschild ou de Kerr. Il consiste en une singularité (un trou noir) opposée à un trou blanc entre lesquels se trouve un trou de ver qui relie les horizons de deux univers.

C'est John Wheeler en 1956 qui décrivit les propriétés de ces connexions et les baptisera " trous de ver ", (wormholes). Quelques années plus tard à l’université Harvard, Stephen Hawking (Stephen W. Hawking, CH, CBE, FRS, FRSA, est un physicien théoricien et cosmologiste anglais, né le 8 janvier 1942 à Oxford. Hawking a été professeur de mathématiques à...) et Richard Coleman reprirent le concept de Wheeler et suggérèrent que l'espace-temps pouvait être soumis à l'effet tunnel (L'effet tunnel désigne la propriété que possède un objet quantique de franchir une barrière de potentiel, franchissement impossible selon la...) précité, reprenant l'idée avancée par Hugh Everett III. À l'instar des électrons qui peuvent sauter d'un point à l'autre de l'espace, l'Univers ferait de même. L'effet tunnel créerait des ouvertures dans l'espace-temps qui conduiraient à d'autres univers, des univers cul-de-sac ou tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) aussi vastes que le nôtre.

Einstein et Rosen proposaient sérieusement que les singularités pouvaient mener à d'autres endroits de l'Univers, d'autres régions de l'espace et du temps. Ces connexions spatio-temporelles sont connues sous le nom de " ponts d'Einstein-Rosen ". Mais ni l'un ni l'autre n'entrevoyaient une possibilité d'entretenir ces connexions en raison du caractère instable des fluctuations quantiques. Comme le disait John L. Friedman de l'université de Californie (L'université de Californie est une université américaine, fondée en 1868, dont le siège se trouve à Berkeley (Californie), comprenant...) à Santa Barbara il s'agit d'une censure topologique.

Ces trous de vers dits de Lorentz requièrent de la matière exotique pour rester ouverts car elle demande moins d'énergie que le vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) quantique qui subit des fluctuations d'amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) variables. Il peut s'agir d'énergie négative par exemple, de l'antimatière (L'antimatière est l'ensemble des antiparticules des particules composant la matière classique — celle dont est faite la Terre. Le...) qui maintiendrait l'ouverture du trou de ver loin de l'horizon (Conceptuellement, l’horizon est la limite de ce que l'on peut observer, du fait de sa propre position ou situation. Ce concept simple se décline en physique, philosophie,...). L'ouverture elle-même présente une pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent...) positive afin de la maintenir ouverte durant les transferts et éviter qu'elle ne s'effondre. Seul problème personne ne sait comment stocker autant d'antimatière et suffisamment longtemps au même endroit pour entretenir ce tunnel dans l'espace-temps.

Du fait qu'un trou de ver permet en théorie à la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La...) d'émerger ailleurs dans l'espace-temps, Matt Visser de l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études...) de Washington et David Hochberg du Laboratoire d'astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et l'étude des...) spatiale et de physique fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.) de Madrid (Madrid est la capitale de l'Espagne. Ville la plus vaste et la plus peuplée du pays, c'est le chef-lieu de la Communauté autonome de Madrid qui appartient à la province de Madrid. Elle abrite également le siège de...) pensent qu'une sorte d'antigravité doit œuvrer dans ce phénomène.

Les deux chercheurs ont découvert que les trous de vers dynamiques présentaient deux ouvertures, une dans chaque direction temporelle, phénomène qui fut à l'origine d'une confusion. Un hypothétique voyageur pourrait paradoxalement traverser un trou de ver par le milieu sans atteindre l'ouverture opposée ! La raison de ce problème vient du fait qu'il n'existe pas encore une bonne représentation physique de la dynamique d'un trou de ver qui demeure un objet complexe à quatre dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si c'est une pièce de révolution.). Les images représentées ci-dessus sont en réalité uniquement valables pour les trous de vers qui n'évoluent pas dans le temps.

NB. On peut toutefois représenter leur géométrie complexe graphiquement et simuler leur dynamique en traçant leurs lignes d'univers dans des diagrammes d'espace-temps de Kruskal (voir liens externes).

Pour approfondir les conséquences de la relativité générale, Kip Thorne (Kip Stephen Thorne (né le 1er juin 1940) est un physicien théoricien américain, connu pour ses contributions prolifiques dans le domaine de la gravitation, de la physique et...) et Richard Morris du Caltech tentèrent de découvrir par le biais de la physique quantique de nouvelles particules capables d'entretenir les trous de ver de Wheeler. Bientôt l'espace-temps foisonna de " sas de liaisons " que des " voyageurs de Langevin " exploraient au gré de leurs excursions sidérales. La littérature de science-fiction (La science-fiction, prononcée /sjɑ̃s.fik.sjɔ̃/ (abrégé en SF), est un genre narratif (principalement littéraire et cinématographique) structuré par des hypothèses sur ce que...) était aux anges mais éloignait peut-être Carl Sagan ou Isaac Asimov (Isaac Asimov, né vers le 2 janvier 1920 à Petrovitchi en Russie et mort le 6 avril 1992 à New York aux...) de la réalité. Nous entrons là dans un domaine très hypothétique et inaccessible à l’heure actuelle, sauf aux équipes de Deep Space 9, Stargate SG-1 et autres Sliders.

Entouré de quelques astronomes, l'astrophysicien anglais John Gribbin considérait en 1977 que les fontaines blanches étaient une réalité : le phénomène d'expansion de l'Univers n'a-t-il pas pour origine un Big Bang (Le Big Bang est l’époque dense et chaude qu’a connu l’univers il y a environ 13,7 milliards d’années, ainsi que l’ensemble des...), issu d'une singularité ? Développées autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au...) de notions théoriques, ces idées seront bientôt du ressort de la philosophie... Certains cosmologistes, tel Gerard 't Hooft estiment même qu'une théorie devrait interdire de tels concepts !

Selon John Wheeler, deux singularités pourraient être reliées dans l’hyperespace par un trou de ver, sorte de sas entre deux régions éloignées de l’univers. Seul inconvénient, nul ne sait comment entretenir un tel passage et lui donner une taille macroscopique. En effet ce " pont " dans l’hyperespace est à l’échelle de Planck : il mesure 10-33 cm et est instable; il se referme sur lui-même en l’espace de 10-43 seconde ! Pire, si on essaye de l’agrandir, il s’autodétruit... Comme aiment le dire les physiciens, le trou de ver appartient à l’" écume quantique " et obéit aux lois probabilistes.

Totalement différent d’une singularité, un trou de ver est " nu ", il demeure visible aux yeux de tous et plus extraordinaire encore, il permet de voyager dans le temps en fonction du sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive allant...) que l’on prend. Ce qui explique son attrait... tout théorique car il faudra encore longtemps aux physiciens pour passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) au stade (Un stade (du grec ancien στ?διον stadion, du verbe ?στημι istêmi, « se tenir droit et ferme ») est un équipement sportif.) expérimental.

En fiction

Le concept des trous de ver est très utilisé en science-fiction pour autoriser le voyage (Un voyage est un déplacement effectué vers un point plus ou moins éloigné dans un but personnel (tourisme) ou professionnel (affaires). Le voyage s'est considérablement développé et démocratisé, au cours du XXe siècle avec...) dans le temps. Dans la série Sliders, un tel passage est appelé par erreur " Pont Einstein-Rosen-Podolski " au lieu de " ponts d'Einstein-Rosen ", par confusion avec le paradoxe (Un paradoxe est une proposition qui contient ou semble contenir une contradiction logique, ou un raisonnement qui, bien que sans faille apparente, aboutit à une absurdité, ou encore,...) Einstein-Podolsky-Rosen, qui lui n'a rien à voir avec les trous de ver. Curieusement, le nom est resté chez quelques vulgarisateurs. Podolsky a donc vu son nom associé à un objet particulier de la relativité générale sans avoir travaillé dans ce domaine.

Ou dans le film Contact, on y entend clairement une série de vortex appelé, pont (Un pont est une construction qui permet de franchir une dépression ou un obstacle (cours d'eau, voie de communication, vallée, etc.) en passant par-dessus cette séparation. Le...) d'Einstein-Rosen.

Dans la série de BD de science-fiction Universal War One, l'auteur, Denis Bajram, place la notion de trou de ver, ou wormhole, au centre de l'intrigue de son œuvre.

Mais c'est surtout dans les série de science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que l'on tient pour vrai...) fiction Stargate SG1 et Stargate Atlantis que le concept de trou de ver est le plus utilisé. Dans la série, un engin appelé porte des étoiles relie différentes planètes de l'univers,voir d'autres dimensions ou d'autres époques en créant un trou de ver de Reissner-Nordstrøm artificiel, les vaisseaux de la série se servent (Servent est la contraction du mot serveur et client.) également de ce concept pour voyager dans l'hyperespace, mais en utilisant des générateurs d'hyper-propulsion.

Cette notion de plus en plus fréquente dans la littérature " Hard SF " (Hard science-fiction) : on peut citer Stephen Baxter (Les vaisseaux du temps, (en) Light of other days) ou John Clute (Appleseed) qui offrent une approche romancée de la théorie. Ce concept se retrouve en particulier dans les romans de type Néo Space Opera (Le space opera ou opéra de l'espace est un sous-genre de la science-fiction caractérisé par des histoires d'aventure épiques ou dramatiques se déroulant dans un cadre géopolitique...).

Les voyages dans le temps

D’après la théorie de la relativité (Cet article traite de la théorie de la relativité à travers les âges. En physique, la notion de relativité date de Galilée. Les travaux d'Einstein en ont fait un important champ...) générale d’Einstein, plus un objet se déplace vite, plus il verra le temps s’écouler lentement. Si l’entrée d’un trou de ver (trou noir) reste immobile et sa sortie (fontaine blanche) se déplace à 99.99% de la vitesse (On distingue :) de lumière, quand il se sera écoulé 48 heures à l’entrée, il ne se sera écoulé que 28 minutes ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la minute de terrain est la carte originale, au crayon, levée sur le terrain. ...) à la sortie. Ainsi, si nous arrivions à construire un trou de ver et à maîtriser la vitesse de sa sortie, nous pourrions voyager dans le temps et choisir le moment de sortie dans le passé.

Si le voyage dans le temps est possible, pourquoi nos descendants, qui doivent certainement maîtriser cette technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) ne nous rendent-ils pas visite? Tout simplement parce que notre boucle temporelle n’existe pas encore. Les entrées et les sorties dans le temps ne pourront se faire que lorsque le futur inventeur fabriquera la "machine à voyager dans le temps".

Maintenant il reste deux grands problèmes à résoudre interdisant logiquement les voyages dans le temps:

Paradoxe du grand-père:

Imaginons que notre inventeur voit arriver son petit fils juste après avoir créé le tunnel temporel, et que ce dernier le tue par accident. L’action du petit fils sur son grand-père, n’ayant pas encore d’enfant, a pour conséquence de s’empêcher de naître. Comment pourrait-il donc tuer son aïeul ?

Paradoxe de l’écrivain:

Au lieu de tuer notre inventeur, imaginons que son petit fils lui donne un livre écrit par un futur écrivain pour le faire devenir célèbre. Il deviendra donc connu simplement en recopiant le livre. Il n’aura jamais été écrit, mais juste recopié.

Ces actes auraient pour conséquences de changer le futur direct de notre voyageur.

A cause de ces deux paradoxes ci-dessus, accepter l’existence des voyages dans le temps revient à nier toutes cohérences logiques. Pour trouver une solution, plusieurs scientifiques admettent l’hypothèse des mondes parallèles.

En effet, si le petit fils de notre inventeur part, non pas dans le passé, mais dans un monde (Le mot monde peut désigner :) parallèle. S’il tue l’homme qu’il croit être son grand-père, son action n’aura aucune influence sur son existence, vu que cet inventeur n’a aucun rapport avec les ancêtres de notre petit fils. De même pour le livre. Si notre voyageur le donne à la personne qu’il pense être son grand-père, il aura juste été recopié dans ce monde, et bel (Nommé en l’honneur de l'inventeur Alexandre Graham Bell, le bel est unité de mesure logarithmique du rapport entre deux puissances, connue pour exprimer la puissance du son....) et bien écrit dans le nôtre.

Publications

  • Stephen Hawking, Une brève histoire du temps. Du Big Bang aux trous noirs, Flammarion, 2005
  • A.S.Hawking/R.Penrose, La nature de l'espace et du temps, Roger Penrose, Stephen Hawking, Gallimard, 2003
  • Stephen Hawking, Trous noirs et bébés univers et autres essais, Odile Jacob, 2000
  • Kip Thorne et Stephen Hawking, Trous noirs et distorsions du temps, Flammarion, 1996
  • M.Begelmen/M.Rees, Gravity’s Fatal Attraction : Black Holes in the Universe, W.H.Freeman, 1996
  • S.Shapiro et S.Teukolsky, Physical Review, 66, 1990, p994.
  • S.Shapiro et S.Teukolsky, Science, 241, 1988, p421
  • R.Morris et K.Thorne, American Journal of Physics, 56,1988, p395
  • K.Thorne et al., Physical Review letter, 61, 1988, p1446
  • A.Einstein et N.Rosen, Physical Review, 48, 1935, p73
  • H.Everett III, Reviews of Modern Physics, 29, 1957, p454
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