Voyageurs intrépides à travers les mondes ou le temps, les équations mathématiques vous sourient!
Rappels sur la théorie de la relativité
Première étape, 1905 quand Einstein publia sa théorie de la relativité restreinte. De cette théorie on peut retenir quelques petites choses importantes:
Ensuite, en 1916, Einstein
compléta ses théorie en publiant cette fois la théorie
générale de la relativité, théorie phare de la science du XXe siècle.
Cette dernière nous apprend principalement que l'espace-temps n'est pas un plan, il est plus ou moins
courbée selon la distribution de masse se qui signifie plus simplement que plus
un corps est dense plus il courbe l'espace-temps.
Tout cela pour en venir au fait que certaines équations de la théorie prévoient que des objets pourraient être assez lourds et denses pour pouvoir percer l'espace-temps. Ces objets possèdent des propriètés étonnantes. Ce sont les fameux "trous noirs".Ces objets sont aussi appelés par les mathématiciens des singularités.
Par definition, c'est une région de l'espace dotée d'un champ
gravitationnel si fort qu'aucun corps ni aucun rayonnement ne peut
s'échapper de son voisinage.
Ils sont considérés comme le stade ultime d'une
étoile massive s'effondrant sur elle même sous l'action de la gravité.
L'existence des trous noirs fut prédite en 1916 par l'astronome
allemand Karl Schwarzschild, sur la base de la théorie
de la relativité générale. La notion classique d'espace-temps n'a plus de
signification à proximité d'un trou noir. Un corps ou un rayonnement qui
pénètre dans un trou noir ne peut théoriquement plus en sortir en raison
de la force
gravitationnelle considérable du trou noir. Ainsi, un trou noir déforme la
structure de l'espace-temps dans son voisinage. On peut comparer cette
déformation de l'espace à celle que produirait un tourbillon, dont le centre
serait le trou noir.
Les propriétés des trous noirs sont
extraordinaires. Un trou noir stationnaire est complètement défini par
trois paramètres : sa charge électrique, sa masse et son moment cinétique.
Ils n'ont encore jamais été observés pour la simple et bonne raison que leur
densité produit une telle force d'attraction qu'elle empêche la lumière elle
même de s'échapper. On peut cependant dire qu'un certains nombres de phénomènes
cosmiques (fortes émissions de rayons X) nous laissent penser que les trous
noirs existent bel et bien (Il y aurait même certainement un au centre de
notre galaxie).
Anecdote: En 1908, une énorme explosion se produisit dans la région
de Tunguska en Sibérie centrale. Tout ce qui se situait dans un rayon de
30km, dont un troupeau de 500 rennes, fut détruit. Mais cette explosion n'a
laissé ni cratère, ni fragments excluant l'hypothèse d'un écrasement de
météorite. Une hypothése des plus audacieuse suppose qu'un mini-trou noir (de
quelques millimétres seulement!) aurait heurté la terre pour la traverser
complétement et ressortir dans l'atlantique nord provoquant un énorme
soulèvement d'eau dont personne n'aurait été témoin...
Après avoir théorisé l'existence des trous
noirs, Einstein et
un autre physicien Nathan Rosen suggérèrent que le puits gravitationnel de certains d'entre eux puisse
s'ouvrir sur un autre puits symétrique appelé par opposition "fontaine blanche".
Ce passage est nommé "trou de
ver" ou aussi "Pont Einstein-Rosen-Podolski"
(communément appelé "Pont Einstein-Rosen")
Toute matière
tombant dans ce dernier serait expulsée en un autre point de l'espace... et du
temps, par la "fontaine de lumière", jaillissement gravitationnel très
énergétique.
On voit tout de suite l'interêt de tels objets en matière de
déplacement dans l'espace. Etant donnée que les 2 extrémités du trou de ver
peuvent etre 2 points très éloignés dans l'univers, passer à travers le trou de
ver permettrait de voyager plus vite que la lumière!
En effet, si l'on représente les 2 points antipodiques sur la surface d'une
pomme, la lumière suivra une trajectoire géodésique
(distance la plus courte entre 2 points dans un espace non-euclidien, c'est à
dire un espaces courbe donc comme notre espace-temps) qui suit la surface de la
pomme. En creusant un trou (de ver!) on parcours un chemin moins long que celui
qu'a empruntée la lumière et le tour et joué. Sur des distances de l'ordre de
grandeur de notre univers le gain peut appaître encore plus évident.
Il existe d'autres moyens d'utiliser les trous de ver, mais cette fois le
voyage et d'une autre nature... En manipulant les équations de la relativité,
certains scientifiques comme Kurt Godel réussirent à montrer que les trou
de ver pouvaient engendrer des boucles temporelles.
Si l'entrée d'un "trou de
ver" (le trou
noir) est immobile par rapport à nous et si la sortie (la "fontaine de
lumière") se déplace a une vitesse proche de celle de la lumière le phénomène de
dilatation du temps prevut par Einstein aura
une conséquence étonnante: le temps s'écoulera différemment à l'entrée et à la
sortie du tunnel. Si on suppose que la fontaine blanche se déplace à 99,99% de
la vitesse de la lumière, lorsque 48 heures auront passé à l'entrée, il ne se
sera écoulé que 28 minutes à la sortie. Un voyageur pénétrant dans le tunnel 48
heures après sa création fera alors un voyage dans le
temps de 47h32mn!
Ainsi une maîtrise de
la construction des trou de
ver permettrait de choisir le moment de sortie dans le passé.
Avant d'entrer dans le détail des paradoxes mis en
lumière par le voyage dans le
temps, il est intéressant de se pencher sur une question
redoutable:
Pourquoi nos descendants maîtrisant certainement
cette technologie ne nous rendent ils pas visite?
La réponse est
plus simple qu'il n'y parait.
La boucle temporelle doit être crée avant de
pouvoir être utilisée. Si un génial inventeur crée un "trou de
ver" le 1 janvier 2000, l'entrée et la sortie commenceront leur existence à
ce moment la. L'entrée évoluera normalement et la sortie sera figée dans le
temps pour peu qu'on lui communique la vitesse de la lumière. l'inventeur ne
pourra donc jamais revenir avant la date de création.
Viens maintenant le moment de trouver une réponse aux deux paradoxes très célébres énoncés ci-dessous qui
interdisent logiquement toutes possibilités de voyage dans le
temps.
Premier paradoxe: "Paradoxe du grand-père"
Il serait
fort possible que notre inventeur voit débarquer son petit fils quelques
secondes après avoir crée le tunnel. Ce dernier infâme psychopathe tue notre
inventeur, donc son grand-père qui n'a pas encore de fils. Par cet acte notre
psychopathe s'empêche donc de naitre, des lors comment pourrait il tuer son
aïeul!
Deuxième paradoxe: "Paradoxe de l'écrivain"
Si à la place
de tuer son grand-père notre arrivant du futur donne à notre inventeur un livre
qui le fera devenir célèbre. L'homme n'ayant jamais rien écrit deviendra donc
célèbre simplement en recopiant ce livre. Il n'aura donc jamais été crée mais
juste recopié!
Conclusion: Accepter la possibilité de tels voyage revient à nier les principes de causalités et de cohérence logique. En quelques mots ou bien la physique élucide ces paradoxes ou bien il nous faut renoncer aux voyages dans le passé.
Pour répondre à ces paradoxes de nombreux scientifiques utilisant les
propriétés propres à la mécanique quantique admettent l'existence d'univers
parallèles.
Il est alors autorisé de penser que le voyage dans le temps
se fasse dans un monde
parallèle. On peut dès lors résoudre les paradoxes.
Le petit fils remontant le temps se retrouve face a son grand père qui vit dans
un univers qui n'est pas le sien. Il se prive donc de naître dans cette univers
mais pas dans le sien. De même pour le livre, il aura été copié dans un univers
et crée dans l'autre, l'acte de création aura au moins eu lieu dans un univers.
Pour accepter l'hypothèse du voyage dans le
temps il convient donc d'admettre l'existence d'une multiplicité
des univers.
Selon la mécanique
quantique l'état d'une particule est non seulement inconnu mais aussi
indéterminé jusqu'au ce qu'on la mesure: c'est le fameux principe
d'incertitude d'un certain Heisenberg. C'est à ce moment précis
qu'elle se retrouve avec une charge positive ou négative. Une des
interprétations possibles suppose qu'a cet instant ou on mesure l'état de la
particule l'univers se dédouble. Dans notre univers, la charge de la particule
serait positive alors que dans l'univers parallèle cette dernière aurait
une charge négative. A chaque instant se créeraient ainsi
une multitude d'univers parallèles, déclinant tous les états de toutes
les particules. Pour le physicien Michael Price
"l'univers se dédouble à chaque processus thermodynamique irréversible".
Les principaux noms de la physique que l'on puisse citer en matière de
théorie d'univers multiples sont Andrei Linde ou encore Hugh
Everest. Selon eux, et en s'appuyant sur la théorie
des cordes, il existerait donc une quasi-infinité
d'univers parallèles au notre flottant dans ce qui est maintenant appelé
un super-univers primitif. Tous ces univers
bulle seraient nés des fluctuations quantiques de ce super-univers.
Le problème est qu'il n'est possible ni de voir, ni de détecter ces univers, et à priori encore mois possible de voyager entre ces univers comme dans la série TV Sliders... Ces univers n'ont probablement pas les mêmes lois physiques que le notre et sont de plus séparés du notre par des distances s'exprimant en alignant quelques kilométres de zéros. Ainsi pour prendre des exemples concrets, il existe certainement des univers où les électrons et les protons n'ont pas la même masse partout ou bien, plus que 4 dimensions, ou encore, où la flèche du temps est inversée (A ce propos, on peut signaler que des gens tels que Stephen Hawking pensent que si un univers arrête son expansion et commence à se rétracter, le sens du temps s'inverse, son histoire se déroule à l'envers!). Il existe certainement un univers où vous gagner au loto et des millions d'autres ou vous perdez! Cependant, certaines théories cosmologiques supposent qu'il est possible en certains points de ces univers (le notre y compris) il puisse se créer d'autre univers à partir de singularités. Pourquoi alors ne pas voyager à travers le trou de ver pour découvrir d'autres univers?
En théorie, à travers les équations compliquées de la relativité, il est donc possible de voyager rapidement dans l'espace et le temps. Dans la pratique, utiliser les "trous de ver" pour voyager dans l'espace et le temps parait une chose pour le moment irréalisable étant donné l'état de nos connaissances actuelles.
Un des premier souçis que nous aurions si
nous voulions utiliser le "Pont
Einstein-Rosen" serait de le trouver et de le garder ouvert. En effet, certains indices tendent à
prouver qu'ils existent, mais seulement à l'échelle microscopique. Ils ne
mesureraient que 10e-43 cm et disparaîtrait au bout de 10e-35 s pour cause
d'instabilité structurelle.
Solution: En
1985, Kip Thorne de CalTech montra qu'il pouvait exister des trous de ver
assez grand pour laisser passer un etre humain ou meme un vaisseau. La seule
chose à maitriser serait l'energie négative si nous voulions en créer un nous
meme. En effet, la seule manière de maintenir ouvert un trou de
ver serait de le tapisser d'une matière
anti-gravitationelle (aussi appelée "matière
exotique"), ce qui produirait un champ anti-gravitationnel (énergie négative). Si un trou de ver
existe dans l'univers, il est prévu qu'il soit composé en partie d'énergie
négative. Cette energie négative est nécessaire à la défocalisation à l'intérieur du trou de
ver, c'est à dire du passage de rayonnements convergents à l'entrée, à des
rayonnements divergents à sa sortie. Le puit gravitationnel induit par la
matière ordinaire (de masse positive) attire les objets environnants à l'entrée
du trou noir et la matière exotique (de masse négative) expulse les objets à la
sortie (fontaine blanche).
Récemment en 1996, il a été mis en évidence expérimentalement un phénomène connu sous le nom d'effet Casimir. Cette effet est obtenu en imposant un fort champ électrique entre deux plaques séparés par le vide, le champs impose au vide une telle tension qu'il l'oblige à fluctuer jusqu'à ce qu'il donne naissance à des électrons. Ce qui revient à extraire de l'énergie du vide, celle ci ne pouvant être que négative. En extrapolant ce résultat expérimental à la gravitation on peut alors envisager que tout est encore possible en matière de création de champs anti-gravitationnel.
Pourtant ceux qui voudront maitriser les trous de ver devront résoudre le problème de confiner de grandes quantités d'énergie négative dans des volumes exterement minces. La théorie des cordes pourrait etre une solution à ce problème dans la mesure ou elle concoit que de très fortes densités d'energie sont réparties le long de lignes étroites, le problème est que tous les modèles de cordes cosmiques physiquement acceptables ont pour l'instant des densités d'energie positive!
Le deuxième principal problème est de pouvoir
rentrer dans le trou noir
sans être écrasé, étiré et finalement détruit car ayant été attiré vers droit
sur la singularité centrale de densité infinie.
Solution: En 1963, Roy Kerr bouscula le monde
scientifique en apportant une solution à ce problème. Il prétendit que
les trous noirs tournaient autour d'un axe
central (tous comme le font les étoiles, il supposa
alors qu'elles continuaient à tourner même après s'être effondrées). Ceci change
absolument toutes les données du problème, il permet de définir un point par
lequel il est possible de pénétrer dans un trou
noir en toute sécurité. Comme dans l'oeil du cyclone, ce point serait dénué
de toute force
gravitationnelle!
En 1988, M. Morris, K. Thorne et Ulvi Yurtsever ont proposé une machine à remonter le temps fondée sur les trous de ver, et leur article et très étudié depuis une dizaine d'années. En 1992, S. Hawking a cependant prouvé qu'une telle machine ne pouvait exister sans énergie négative.