Trou de ver

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Schéma du principe.
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 trou de ver (en anglais : wormhole) est, en physique, un objet hypothétique qui relierait deux feuillets distincts ou deux régions distinctes de l'espace-temps et se manifesterait, d'un côté, comme un trou noir et, de l'autre côté, comme un trou blanc[1].

Le physicien autrichien Ludwig Flamm (1885-1964) est parfois présenté comme étant le premier à avoir suggéré, dès 1916[2], l'existence des trous de ver. Mais la communauté scientifique s'accorde[3] pour considérer que leur existence n'a été suggérée qu'en 1935, par Albert Einstein et Nathan Rosen[4].

Les trous de ver doivent leur nom à Charles W. Misner et John A. Wheeler qui les désignèrent ainsi en 1957[5].

En 2013, Juan Maldacena et Leonard Susskind ont proposé une conjecture qui établit un lien entre l'intrication quantique et le trou de ver[6] : la conjecture ER=EPR[7]. Elle été complétée par Kristan Jensen et Andreas Karch[8] ainsi que par Julian Sonner[9],[10].

Un trou de ver formerait un raccourci à travers l'espace-temps. Pour le représenter plus simplement, on peut se représenter l'espace-temps non en quatre dimensions mais en deux dimensions, à la manière d'un tapis ou d'une feuille de papier. La surface de cette feuille serait pliée sur elle-même dans un espace à trois dimensions.

L'utilisation du raccourci "trou de ver" permettrait un voyage du point A directement au point B en un temps considérablement réduit par rapport au temps qu'il faudrait pour parcourir la distance séparant ces deux points de manière linéaire, à la surface de la feuille. Visuellement, il faut s'imaginer voyager non pas à la surface de la feuille de papier, mais à travers le trou de ver ; la feuille étant repliée sur elle-même permet au point A de toucher directement le point B. La rencontre des deux points serait le trou de ver.

L'utilisation d'un trou de ver permettrait le voyage d'un point de l'espace à un autre (déplacement dans l'espace), le voyage d'un point à l'autre du temps (déplacement dans le temps) et le voyage d'un point de l'espace-temps à un autre (déplacement à travers l'espace et en même temps à travers le temps)[réf. nécessaire].

Les trous de ver sont des concepts purement théoriques : l'existence et la formation physique de tels objets dans l'Univers n'ont pas été vérifiées.

Il ne faut pas confondre trous de ver et trous noirs : les trous de ver sont hypothétiques, alors que les trous noirs sont des objets qui existent réellement et dont le champ gravitationnel est si intense qu’il empêche toute forme de matière de s'en échapper.

Présentation générale[modifier | modifier le code]

Simulation d'un trou de ver permanent

À l'heure actuelle, il existe différents types de trous de ver. Tous sont des solutions mathématiques 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 un seul sens, pouvant contenir un trou de ver de Schwarzschild ;
  • le trou de ver de Lorentz à masse négative, franchissable dans les deux sens.

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

Si on essaye 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 en accumulant des masses négatives.

La théorie d'Einstein précise qu'on peut fabriquer n'importe quel type de géométrie spatio-temporelle, statique ou dynamique. Toutefois, une fois la géométrie définie, ce sont les équations d'Einstein qui 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.

C'est John Wheeler en 1956 qui décrivit les propriétés de connexions des différents points de l'espace et les baptisera « trous de ver », (wormholes). Quelques années plus tard à l’université Harvard, Stephen Hawking et Richard Coleman reprirent le concept de Wheeler et suggérèrent que l'espace-temps pouvait être soumis à l'effet tunnel précité, reprenant l'idée avancée par Hugh Everett. 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 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 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 quantique qui subit des fluctuations d'amplitude variables. Il peut s'agir d'énergie négative par exemple, de l'antimatière qui maintiendrait l'ouverture du trou de ver loin de l'horizon. L'ouverture elle-même présente une pression de surface 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.

Vaisseau interstellaire empruntant un trou de ver (Vision d'artiste pour la NASA, 1998)

Pour approfondir les conséquences de la relativité générale, Kip Thorne 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 était aux anges mais éloignait peut-être Carl Sagan ou Isaac Asimov de la réalité. On entre dans un domaine très hypothétique et inaccessible à l'heure actuelle, sauf aux équipes de Deep Space Nine, Stargate SG-1 et autres Sliders.

Selon John Wheeler, deux singularités pourraient être reliées 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 » 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 que l’on prend. Ce qui explique son attrait… tout théorique car il faudra encore longtemps aux physiciens pour passer au stade expérimental.

Dans la fiction[modifier | modifier le code]

Le concept des trous de ver est très utilisé dans la science-fiction pour autoriser le voyage 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 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 appelée, pont d’Einstein-Rosen.

Dans Lumière des jours enfuis, Arthur C. Clarke et Stephen Baxter racontent qu'en 2033, une équipe de chercheurs parvient à transmettre des images par un trou de ver.

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

Toute la série Farscape repose sur la découverte et la compréhension des trous de ver (wormholes en VO, vortex en VF), ceux-ci permettant de parcourir de très grandes distances, de voyager dans le temps et dans d’autres dimensions.

Mais c’est surtout dans le film de science-fiction Stargate, la porte des étoiles et les séries de Stargate SG-1, Stargate Atlantis et Stargate Universe, que le concept de trou de ver est le plus utilisé. Dans le film ainsi que dans la série, un engin appelé porte des étoiles relie différentes planètes de l’univers, en créant un trou de ver de Reissner-Nordstrøm (ou de Kerr-Newman) artificiel. Cependant un corps entier comme un homme ne survivrait pas au voyage dans le vortex, il est donc "démolécularisé" par la porte de départ et "remolécularisé" par la porte d'arrivée. En temps normal la porte des étoiles ne permet pas de voyager dans le temps, sauf s'il y a un dysfonctionnement (le vortex passe près d'une éruption solaire il est renvoyé vers la porte de départ mais dans une autre époque).

Dans Star Trek : Deep Space Nine, la traduction française utilise vortex pour le terme anglais wormhole mais il s’agit bien d’un trou de ver utilisé pour voyager de et vers le Quadrant Gamma à 70 000 années-lumières de l'autre côté de la galaxie.

Cette notion est 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.

Dans le futur film Interstellar, réalisé par Christopher Nolan, le sujet principal sera la théorie des trous de ver.

Dans le film Donnie Darko, le trou de ver est un élément central. Il est conçu comme permettant un voyage vers le passé.

Dans le film Thor, le Bifröst est comparé à un « pont d'Einstein-Rosen ».

Dans la série Fringe, l'un des personnages principaux crée un « pont d'Einstein-Rosen » pour voyager dans un univers alternatif. Cet acte sera cause de plusieurs autres trous de vers intempestifs dans les deux univers.

Dans la série La Saga du Commonwealth, les trous de ver sont devenus, dans le futur, un moyen de transport courant pour se déplacer de planète en planète. Ils sont décrits comme étant très fins, composés d'énergie exotique, et modulables en fonction de la quantité d'énergie utilisé pour les créer. La version originale (anglaise) utilise le mot wormhole.

Dans le jeu vidéo Résistance, les chimères créent un trou de ver qui communique entre la Terre et leur planète d'origine.

De même, dans le jeu vidéo Crysis 3, les cephs tentent de créer un pont d'Einstein-Rosen pour faire venir leurs homologues restés dans leur galaxie d'origine.

De plus, dans l'épisode Le Fantôme de Caliburn de la série Doctor Who, la femme disparue est en fait enfermée dans un univers en perdition et le seul moyen d'y parvenir est d'utiliser un de ces trous de ver. Ces trous de ver sont aussi cités dans un autre épisode de cette série, L'Invasion des cubes, sept sont éparpillés sur Terre pour mener vers un vaisseau spatial en orbite autour de la planète, alors que des cubes sont envoyés pour arrêter les cœurs humains.*

Dans la saga Halo les vaisseaux Covenants, Humains, Forerunneurs et Précurseurs utilisent des sauts sous-spatiaux en utilisant des trous de ver.

Dans la série des romans Honor Harrington, de David Weber, où les trous de ver sont utilisés pour les trajets spatiaux et jouent un rôle important dans l'économie du royaume de Manticore.

Les voyages dans le temps[modifier | modifier le code]

Article connexe : Voyage dans le temps.


Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Entrée « trou de ver », dans Richard Taillet, Loïc Villain et Pascal Febvre, Dictionnaire de physique, Bruxelles, De Boeck Université,‎ 2008, XI-672 p. (ISBN 978-2-8041-5688-6, notice BnF no FRBNF41256105), p. 507, lire en ligne sur Google Livres (consulté le 26 juillet 2014)
  2. (de) Ludwig Flamm, « Beiträge zur Einsteinschen Gravitationstheorie », Physikalische Zeitschrift, vol. 17,‎ 1916, p. 448-454
  3. (en) David Lindley, « Focus: The Birth of Wormholes », Physical Review, vol. 15,‎ 2005 (DOI 10.1103/PhysRevFocus.15.11)
  4. (en) Albert Einstein et Nathan Rosen, « The Particle Problem in the General Theory of Relativity », Physical Review, vol. 48, no 1,‎ 1er juillet 1935, p. 73-77 (DOI 10.1103/PhysRev.48.73, Bibcode 1935PhRv...48...73E, lire en ligne)
  5. (en) Charles W. Misner et John A. Wheeler, « Classical physics as geometry », Annals of Physics, vol. 2, no 6,‎ 1957, p. 525-603 (DOI 10.1016/0003-4916(57)90049-0)
  6. (en) Juan Martín Maldacena et Leonard Susskind, « Cool horizons for entangled black holes », Fortschritte der Physik (de), vol. 61, no 9,‎ septembre 2013, p. 781-811 (DOI 10.1002/prop.201300020, Bibcode 2013ForPh..61..781M, arXiv 1306.0533, lire en ligne [PDF])
  7. (en) Hrant Gharibyan et Robert F. Penna, « Are entangled particles connected by wormholes? Support for the ER=EPR conjecture from entropy inequalities », Physical Review D, vol. 89, no 6,‎ mars 2014, p. 066001 (DOI 10.1103/PhysRevD.89.066001, Bibcode 2014PhRvD..89f6001G, arXiv 1308.0289, lire en ligne [PDF])
  8. (en) Kristan Jensen et Andreas Karch, « Holographic dual of an Einstein-Podolsky-Rosen pair has a wormhole », Physical Review Letters, vol. 111, no 21,‎ novembre 2013 (DOI 10.1103/PhysRevLett.111.211602)
  9. (en) Julian Sonner, « Holographic schwinger effect and the geometry of entanglement », Physical Review Letters, vol. 111, no 21,‎ novembre 2013, p. 211603 (DOI 10.1103/PhysRevLett.111.211603, Bibcode 2013PhRvL.111u1603S, arXiv 1307.6850, lire en ligne [PDF])
  10. (en) Kristan Jensen, Andreas Karch et Brandon Robinson, « The holographic dual of a Hawking pair has a wormhole », ArXiv,‎ mai 2014 (Bibcode 2014arXiv1405.2065J, arXiv 1405.2065, lire en ligne [PDF])

Voir aussi[modifier | modifier le code]

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Articles connexes[modifier | modifier le code]

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