Test de la théorie de gravitation quantique de Hawking
Vous n’en avez peut-être rien à faire, après tout :
Il y a tellement d’horreurs auxquelles il conviendrait de mettre fin de toute urgence
sur cette petite planète bleue qui n’a aucun intérêt (à part celui de nous
abriter à la bonne distance de notre étoile et de nous protéger des
rayonnements cosmiques par son champ magnétique, ce qui reste assez
exceptionnel en soi) et vous auriez presque raison.
Car pour ma part, je reste toujours scotché par cet indicible besoin de « savoir » de mon espèce (au moins celle-là, même si je sais aussi qu’un poisson ça reste également très curieux, et c’est comme ça qu’on le chasse, avec tuba et palmes), d’inventer des « trucs pas possibles » comme la notion de zéro, du rien, de l’infini, de l’éternité, de Dieu même, et de savoir se comporter avec délectation comme le plus parfait des sauvages acéphales avec une palette d’innombrables délices de perversions brutales, violentes et épouvantables !
Alors, hein, la gravité quantique, même si c’est sur une idée de Hawking, franchement, ce devrait être le cadet de vos soucis (et des miens) et pourtant…
Je vous explique : Hawking avait cherché une
description plus détaillée de l’écume quantique de Wheeler en utilisant ses
travaux sur la théorie quantique des champs en espace-temps courbes appliquée
aux trous noirs (pendant que moâ je découvrais les régressions linéaires et les
maths financières : À chacun sa cour de récréation…).
Mais lui, il en avait conclu que les trous noirs virtuels pouvaient induire un effet de décohérence quantique sur les champs de particules se propageant sur l’espace-temps perturbé par les paires de trous noirs microscopiques virtuelles apparaissant et disparaissant sans cesse.
Logique, quoi…
(Alors que j’en étais encore à découvrir les effets de la règle de l’anatocisme…)
La question était et reste en fait assez technique :
On dit (pour l’avoir démontré) que l’évolution d’un état quantique selon la
fameuse équation de Schrödinger est d’ordinaire « unitaire », c’est-à-dire
qu’elle se fait selon une loi mathématique possédant la propriété « d’unitarité ».
En gros (uniquement pour les béotiens), si l’on transpose un peu l’idée à des ondes radio, cela revient à dire qu’un paquet d’ondes décrivant un morceau de musique se déplace dans l’espace et dans le temps en conservant sa forme, sa cohérence, et donc l’information complète définissant le morceau de musique.
Sans ça, il y aurait des fausses notes à une certaine distance, inconnue jusque-là.
Une violation du principe de « l’unitarité » induit une décohérence du paquet d’ondes, qui devient comme « bruité » à cause que des perturbations extérieures, de sorte qu’on finit par ne plus pouvoir en tirer le morceau de musique initial si la perturbation de l’environnement agit sur un trajet suffisamment long du paquet d’ondes.
Il ne resterait que du bruit.
Cela dit, c’est vers la fin des années 1960, que l’astrophysicien
théoricien « ricain », John Bahcall, exprimait sa dépression dans un
séminaire dans lequel il exposait sa théorie du flux de neutrinos produit par
les réactions thermonucléaires faisant briller le Soleil.
Son ami et néanmoins collègue, Raymond Davis, derrière une expérience de détection de ce flux dans la mine d’or de Homestake dans le Dakota du Sud (États-Unis des « ricains »), désormais célèbre sous le nom de « Homestake experiment », venait de montrer qu’il y avait moins de neutrinos que prévu par les calculs de Bahcall.
C’est vous dire l’angoisse du scientifique qui en déprimait sévère…
La scène se déroulait, paraît-il, au mythique Caltech où se trouvait le tout aussi mythique Richard Feynman.
Le prix Nobel de physique assistait au séminaire et Feynman tenta de remonter le moral à Bahcall en lui disant que lui non plus ne voyait pas d’erreurs dans ses calculs du flux de neutrinos.
Alors que quoi comment donc qu’est-ce ?
Pour bien comprendre, rappelons d’abord que les neutrinos
sont particules neutres, avec une toute petite masse et qu’elles n’interagissent
que très faiblement avec les autres particules de la matière et seulement via
la force nucléaire faible et la gravitation.
Les neutrinos sont donc très pénétrants.
Mais au cours des années 1950, chacun se souvient que le physicien « rital », Bruno Pontecorvo, inspiré par les travaux de Murray Gell-Mann sur les transformations quantiques par oscillation entre une particule appelée « kaon zéro » en son antiparticule, introduit les bases d’un phénomène d’oscillation similaire avec des neutrinos se convertissant l’un dans l’autre sans prévenir qui que ce soit.
Or, pour comprendre le rapport entre les oscillations de neutrinos et la gravitation quantique, il faut remonter jusqu’à la fin des années 1950, lorsque le mythique John Wheeler commençait de son côté la quête d’une théorie unifiée de l’espace-temps, de la matière et des forces, incorporant la mécanique quantique.
Et ces oscillations furent justement et également la
solution manquante à l’énigme invraisemblable des neutrinos solaires !
Figurez-vous qu’en chemin entre le cœur du Soleil et le détecteur de Davis (conçu pour détecter uniquement des neutrinos électroniques, les seuls censés provenir du Soleil), une partie de ceux-ci s’était transformée en les deux autres « saveurs » de neutrinos, comme disent les physiciens dans leur jargon (si particulier : Il y a des « saveurs », mais aussi des « couleurs », les « odeurs », etc.).
Les neutrinos étaient bien tous là finalement, mais une partie était tout simplement devenue indétectable dans le cadre de la « Homestake experiment ».
La théorie a par la suite été confirmée par de multiples (et même nombreuses) expériences comme celle appelée « T2K » au « Pays du soleil levant ».
La voie ainsi tracée, plusieurs chercheurs ont par la
suite entrepris de développer une théorie absolument fascinante, directement
tirée des conséquences de l’existence des oscillations des neutrinos.
Elle devrait permettre, notamment, de faire ce que l’on considère parfois comme un oxymore, à savoir de « la gravitation quantique expérimentale » !
Pour les mêmes béotiens que ci-avant (plus d’autres qui seraient arrivés entre-temps), je rappelle qu’une théorie quantique de la gravitation devrait permettre de comprendre comment l’Univers observable a commencé au moment du Big Bang et comment il a généré toute la matière et toutes les galaxies !
Elle devrait permettre aussi de percer les mystères de l’évaporation des trous noirs. Toutefois, et c’est là que le bât blesse, la gravitation quantique est notoirement difficile à tester par des expériences.
Le même Wheeler s’interrogeait déjà, dès les années
50, sur l’effet des fluctuations quantiques sur la structure de l’espace-temps.
Voyant des analogies entre les propriétés de l’espace-temps gouverné par les équations d’Einstein de la relativité générale et celles de la mécanique des fluides, il en avait déduit que l’espace-temps devait avoir un aspect d’écume ou d’eau en ébullition à l’échelle de Planck (sur des longueurs de l’ordre de 10-35 m).
De même qu’un océan agité apparaît lisse vu de l’espace, la géométrie de l’espace-temps nous apparaîtrait comme continue et topologiquement simple uniquement parce que la fameuse longueur de Planck est incroyablement plus petite comparée à un atome d’hydrogène, dont le rayon est de 10-10 m environ.
À cette échelle-là, l’atome H fait figure de monstruosité !
Tout cela était bien joli, mais si l’on disposait d’un
microscope suffisamment puissant, par exemple avec les faisceaux de particules
d’un accélérateur, on devrait pouvoir voir apparaître les turbulences de la
gravitation quantique (comme les vaguelettes qui viennent mourir sur une
plage).
Elles devaient alors prendre la forme de paires de mini-trous noirs chargés, de mini-trous noirs neutres et même de mini-trous de ver qui apparaitraient et disparaitraient sans cesse dans le vide (et toujours sans prévenir quiconque), comme les paires virtuelles d’électrons responsables de l’effet Lamb.
Or récemment, retenez votre souffle parce que c’est l’objet
de cette information, les membres de la collaboration « IceCube » (ça
ne s’invente pas, figurez-vous : C’est le sobriquet dont m’affublait Joël
Blucher, le banquier de Taïwan qui aura vu passer les milliards des frégates
vendues pour une paire de bottines par « Rôle-an-Du-Mat » dans les
années « Mythe-errant », pour « I-Cube » ou I3)[1],
qui regroupe plus de 300 chercheurs impliqués dans l’utilisation d’un
gigantesque détecteur de neutrinos dans les glaces sous la Station
Amundsen-Scott du pôle Sud en Antarctique, viennent de publier un article dans
Nature Physics qui explique qu’ils ont été capables d’étudier l’effet de la
structure en écume de l’espace-temps produite par des paires de trous noirs
virtuels sur le flux de neutrinos atmosphériques mesuré par « IceCube » !
Leur article peut être consulter en libre accès sur
arXiv et il précise que les chercheurs se sont inspirés d’une théorie de
gravitation quantique sur ces paires de trous noirs virtuels que l’on doit à
Stephen Hawkin !!!
Il faut comprendre qu’une large partie des neutrinos
de « IceCube » est formée par des neutrinos produits par des rayons
cosmiques à hautes énergies heurtant des molécules de la haute atmosphère au
pôle Nord.
La Terre agit alors comme un écran filtrant les particules ordinaires générées par ces collisions.
Mais comme les neutrinos sont très pénétrants, car ils n’interagissent que très faiblement avec les autres particules de matière, ils arrivent jusqu’au détecteur « IceCube » au pôle Sud.
Plus de 300.000 de ces neutrinos plutôt bien isolés des perturbations de l’environnement ont ainsi été détectés.
Et la théorie des oscillations prédit un spectre en énergies et en saveurs de ces neutrinos bien particulier mesurable par « IceCube », l’analogue du paquet d’ondes pour un morceau de musique précédent.
Or, en appliquant la théorie de l’écume quantique
inspirée par Hawking qui agit comme une perturbation de l’environnement, on
doit voir une distorsion du spectre de plus ne plus nette au fur et à mesure
que l’on considère des neutrinos de plus en plus énergétiques et en fonction de
la distance dans l’espace parcourue qui permet d’accumuler des effets de l’écume
quantique sur la cohérence des oscillations des neutrinos…
Logique également…
Et dans l'idéal, il faudrait disposer de neutrinos de très hautes énergies et ayant traversé des milliards d’années-lumière, mais hélas, il semble que très peu ont été détectés avec « IceCube ».
Toujours est-il que le nombre de neutrinos
atmosphériques détectés ayant traversé la Terre permet tout de même de poser
des bornes sur l’effet de décohérence.
Une autre façon de voir cet effet est de se souvenir qu’un trou noir quantique s’évaporant ne se souvient que de la masse, de la charge électrique et du moment cinétique des particules de matière qu’il a avalées. Il ne se souvient donc pas des saveurs de neutrinos qu’il a absorbés en s’évaporant, comme s’il avait oublié la musique.
Dès lors, les paires de trous noirs virtuelles, en avalant une saveur de neutrinos qui disparaît par évaporation, en cracheront une autre qui peut être différente et ne plus correspondre à ce à quoi on s’attendrait par une transformation d’une saveur en une autre par le processus d’oscillation habituel.
Et en l’état, aucun effet de décohérence quantique n’a
été trouvé mais, étant donné les limitations de l’expérience et du détecteur,
cela ne signifie pas encore qu’il n’y a pas d’effet de décohérence produit par
la gravitation quantique via l’écume de l’espace-temps.
Mais les effets prédits sont généralement impossibles – ou presque – à tester en laboratoire sur Terre.
Les physiciens ne se découragent pas pour autant et tentent de réaliser certaines expériences qui pourraient révéler cette nouvelle physique.
La dernière en date a ainsi permis de sonder, grâce à des neutrinos, la structure en écume de l’espace-temps, avec des trous noirs quantiques microscopiques agissant selon des idées que l’on doit notamment à Stephen Hawking.
C’était important, à mon sens, de vous le signaler dans cette rubrique de « La science en marche »…
On va y arriver, peu à peu, et il n’y aura plus de métier de « trouveurs » parce qu’on aura tout trouvé !
Alors, quand les scientifiques en auront terminé avec
leurs mesures et expérimentations (et de bouffer mes impôts, taxes et
cotisations pour ça), on aura peut-être une théorie du tout et on pourra passer
à autre chose comme par exemple, comment réduire les souffrances de l’humanité,
imposées à des « plus faibles » asservis par des « plus forts »
du moment…
Mais bon, en attendant,
À toutes et tous, passez tout de même une bonne fin de week-end !
I3
Pour mémoire (n’en déplaise à « Poux-tine ») : « LE PRÉSENT
BILLET A ENCORE ÉTÉ RÉDIGÉ PAR UNE PERSONNE « NON RUSSE » ET MIS EN LIGNE PAR
UN MÉDIA DE MASSE « NON RUSSE », REMPLISSANT DONC LES FONCTIONS D’UN AGENT «
NON RUSSE » !
Post-scriptum : Alexeï Navalny est mort en détention pour ses opinions politiques. Les Russes se condamnent à perpétuité à en supporter toute la honte !
Постскриптум: Алексей Навальный умер в заключении за свои политические взгляды. Россияне обрекают себя на всю жизнь нести весь позор!
Parrainez Renommez la rue de l'ambassade de Russie à Paris en rue Alexeï Navalny (change.org)
[1] I-Cube (l'exilé): Opération Juliette-Siéra (00/33) (flibustier20260.blogspot.com)
Car pour ma part, je reste toujours scotché par cet indicible besoin de « savoir » de mon espèce (au moins celle-là, même si je sais aussi qu’un poisson ça reste également très curieux, et c’est comme ça qu’on le chasse, avec tuba et palmes), d’inventer des « trucs pas possibles » comme la notion de zéro, du rien, de l’infini, de l’éternité, de Dieu même, et de savoir se comporter avec délectation comme le plus parfait des sauvages acéphales avec une palette d’innombrables délices de perversions brutales, violentes et épouvantables !
Alors, hein, la gravité quantique, même si c’est sur une idée de Hawking, franchement, ce devrait être le cadet de vos soucis (et des miens) et pourtant…
Mais lui, il en avait conclu que les trous noirs virtuels pouvaient induire un effet de décohérence quantique sur les champs de particules se propageant sur l’espace-temps perturbé par les paires de trous noirs microscopiques virtuelles apparaissant et disparaissant sans cesse.
Logique, quoi…
(Alors que j’en étais encore à découvrir les effets de la règle de l’anatocisme…)
En gros (uniquement pour les béotiens), si l’on transpose un peu l’idée à des ondes radio, cela revient à dire qu’un paquet d’ondes décrivant un morceau de musique se déplace dans l’espace et dans le temps en conservant sa forme, sa cohérence, et donc l’information complète définissant le morceau de musique.
Sans ça, il y aurait des fausses notes à une certaine distance, inconnue jusque-là.
Une violation du principe de « l’unitarité » induit une décohérence du paquet d’ondes, qui devient comme « bruité » à cause que des perturbations extérieures, de sorte qu’on finit par ne plus pouvoir en tirer le morceau de musique initial si la perturbation de l’environnement agit sur un trajet suffisamment long du paquet d’ondes.
Il ne resterait que du bruit.
Son ami et néanmoins collègue, Raymond Davis, derrière une expérience de détection de ce flux dans la mine d’or de Homestake dans le Dakota du Sud (États-Unis des « ricains »), désormais célèbre sous le nom de « Homestake experiment », venait de montrer qu’il y avait moins de neutrinos que prévu par les calculs de Bahcall.
C’est vous dire l’angoisse du scientifique qui en déprimait sévère…
La scène se déroulait, paraît-il, au mythique Caltech où se trouvait le tout aussi mythique Richard Feynman.
Le prix Nobel de physique assistait au séminaire et Feynman tenta de remonter le moral à Bahcall en lui disant que lui non plus ne voyait pas d’erreurs dans ses calculs du flux de neutrinos.
Alors que quoi comment donc qu’est-ce ?
Les neutrinos sont donc très pénétrants.
Mais au cours des années 1950, chacun se souvient que le physicien « rital », Bruno Pontecorvo, inspiré par les travaux de Murray Gell-Mann sur les transformations quantiques par oscillation entre une particule appelée « kaon zéro » en son antiparticule, introduit les bases d’un phénomène d’oscillation similaire avec des neutrinos se convertissant l’un dans l’autre sans prévenir qui que ce soit.
Or, pour comprendre le rapport entre les oscillations de neutrinos et la gravitation quantique, il faut remonter jusqu’à la fin des années 1950, lorsque le mythique John Wheeler commençait de son côté la quête d’une théorie unifiée de l’espace-temps, de la matière et des forces, incorporant la mécanique quantique.
Figurez-vous qu’en chemin entre le cœur du Soleil et le détecteur de Davis (conçu pour détecter uniquement des neutrinos électroniques, les seuls censés provenir du Soleil), une partie de ceux-ci s’était transformée en les deux autres « saveurs » de neutrinos, comme disent les physiciens dans leur jargon (si particulier : Il y a des « saveurs », mais aussi des « couleurs », les « odeurs », etc.).
Les neutrinos étaient bien tous là finalement, mais une partie était tout simplement devenue indétectable dans le cadre de la « Homestake experiment ».
La théorie a par la suite été confirmée par de multiples (et même nombreuses) expériences comme celle appelée « T2K » au « Pays du soleil levant ».
Elle devrait permettre, notamment, de faire ce que l’on considère parfois comme un oxymore, à savoir de « la gravitation quantique expérimentale » !
Pour les mêmes béotiens que ci-avant (plus d’autres qui seraient arrivés entre-temps), je rappelle qu’une théorie quantique de la gravitation devrait permettre de comprendre comment l’Univers observable a commencé au moment du Big Bang et comment il a généré toute la matière et toutes les galaxies !
Elle devrait permettre aussi de percer les mystères de l’évaporation des trous noirs. Toutefois, et c’est là que le bât blesse, la gravitation quantique est notoirement difficile à tester par des expériences.
Voyant des analogies entre les propriétés de l’espace-temps gouverné par les équations d’Einstein de la relativité générale et celles de la mécanique des fluides, il en avait déduit que l’espace-temps devait avoir un aspect d’écume ou d’eau en ébullition à l’échelle de Planck (sur des longueurs de l’ordre de 10-35 m).
De même qu’un océan agité apparaît lisse vu de l’espace, la géométrie de l’espace-temps nous apparaîtrait comme continue et topologiquement simple uniquement parce que la fameuse longueur de Planck est incroyablement plus petite comparée à un atome d’hydrogène, dont le rayon est de 10-10 m environ.
À cette échelle-là, l’atome H fait figure de monstruosité !
Elles devaient alors prendre la forme de paires de mini-trous noirs chargés, de mini-trous noirs neutres et même de mini-trous de ver qui apparaitraient et disparaitraient sans cesse dans le vide (et toujours sans prévenir quiconque), comme les paires virtuelles d’électrons responsables de l’effet Lamb.
La Terre agit alors comme un écran filtrant les particules ordinaires générées par ces collisions.
Mais comme les neutrinos sont très pénétrants, car ils n’interagissent que très faiblement avec les autres particules de matière, ils arrivent jusqu’au détecteur « IceCube » au pôle Sud.
Plus de 300.000 de ces neutrinos plutôt bien isolés des perturbations de l’environnement ont ainsi été détectés.
Et la théorie des oscillations prédit un spectre en énergies et en saveurs de ces neutrinos bien particulier mesurable par « IceCube », l’analogue du paquet d’ondes pour un morceau de musique précédent.
Logique également…
Et dans l'idéal, il faudrait disposer de neutrinos de très hautes énergies et ayant traversé des milliards d’années-lumière, mais hélas, il semble que très peu ont été détectés avec « IceCube ».
Une autre façon de voir cet effet est de se souvenir qu’un trou noir quantique s’évaporant ne se souvient que de la masse, de la charge électrique et du moment cinétique des particules de matière qu’il a avalées. Il ne se souvient donc pas des saveurs de neutrinos qu’il a absorbés en s’évaporant, comme s’il avait oublié la musique.
Dès lors, les paires de trous noirs virtuelles, en avalant une saveur de neutrinos qui disparaît par évaporation, en cracheront une autre qui peut être différente et ne plus correspondre à ce à quoi on s’attendrait par une transformation d’une saveur en une autre par le processus d’oscillation habituel.
Mais les effets prédits sont généralement impossibles – ou presque – à tester en laboratoire sur Terre.
Les physiciens ne se découragent pas pour autant et tentent de réaliser certaines expériences qui pourraient révéler cette nouvelle physique.
La dernière en date a ainsi permis de sonder, grâce à des neutrinos, la structure en écume de l’espace-temps, avec des trous noirs quantiques microscopiques agissant selon des idées que l’on doit notamment à Stephen Hawking.
C’était important, à mon sens, de vous le signaler dans cette rubrique de « La science en marche »…
On va y arriver, peu à peu, et il n’y aura plus de métier de « trouveurs » parce qu’on aura tout trouvé !
À toutes et tous, passez tout de même une bonne fin de week-end !
Post-scriptum : Alexeï Navalny est mort en détention pour ses opinions politiques. Les Russes se condamnent à perpétuité à en supporter toute la honte !
Постскриптум: Алексей Навальный умер в заключении за свои политические взгляды. Россияне обрекают себя на всю жизнь нести весь позор!
Parrainez Renommez la rue de l'ambassade de Russie à Paris en rue Alexeï Navalny (change.org)
[1] I-Cube (l'exilé): Opération Juliette-Siéra (00/33) (flibustier20260.blogspot.com)
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