L’équation d’Einstein, les trous de ver et la gravitation quantique
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L’équation ER = EPR propose des indices pour comprendre l’intrication et l’espace-temps et elle propose une méthode pour unifier la relativité générale et la mécanique quantique.
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Einstein serait fier par une équation qui circule ces derniers temps dans les milieux de la physique. Elle est facile à retenir : ER = EPR. Vous pourriez supposer le fonctionnement de cette équation, P pourrait être égal à 1. Mais les symboles ne sont pas des chiffres, mais des noms. E concerne Einstein tandis que R et P sont des initiales des collaborateurs sur 2 papiers les plus intrigants d’Einstein. Combinées dans cette équation, ces lettres expriment une possibilité pour réconcilier la relativité générale avec la mécanique quantique.
Sommaire
La mécanique quantique et la relativité générale
La mécanique quantique et la relativité générale sont des théories qui sont des réussites spectaculaires. Les 2 prédisent des phénomènes qui défient la conception conventionnelle de la réalité. Et quand on les teste, la nature a toujours répondu par un oui massif. Et étant donné que ces théories expliquent parfaitement la nature, il est difficile d’expliquer pourquoi elles ont résisté à tous les efforts pour qu’elles fusionnent sur le plan mathématique. De nombreux scientifiques pensent qu’elles sont compatibles d’une manière ou d’une autre, mais pour le moment, cette connexion est encore inconnue.
Mais l’équation ER = EPR suggère que la clé de cette connexion se trouve dans des tunnels de l’espace-temps connus comme les trous de ver. Ces tunnels, proposés par la relativité générale, seraient des raccourcis dans l’espace qui connecterait des localisations distantes. Et il semble que ces tunnels sont les alter ego du mystérieux lien entre des particules subatomiques qu’on connait comme l’intrication quantique.
Depuis plus de 90 ans, les physiciens tentent de résoudre 2 gros problèmes de la mécanique quantique. Comment interpréter les mathématiques quantiques pour donner un sens à son étrangeté telle que l’intrication quantique et comment marier la mécanique quantique avec la gravitation. Il semble, que si ER = EPR soit vrai, alors les 2 questions ont la même réponse. On peut comprendre l’étrangeté quantique uniquement si vous comprenez sa connexion avec la gravitation. Et les trous de ver pourraient forger ce lien.
Les Ponts d’Einstein-Rosen
Sur le plan technique, on connait les trous de ver comme des Ponts d’Einstein-Rosen (l’ER de l’équation). Nathan Rosen a collaboré avec Einstein sur un papier qui les décrit en 1935. EPR se réfère à un autre papier qu’Einstein a publié avec Rosen et Boris Podolsky en 1935. Ce dernier concerne les énigmes paradoxales de l’intrication quantique sur la nature de la réalité. Pendant des décennies, personne ne considérait que ces 2 papiers avaient un lien. Mais en 2013, les physiciens Juan Maldacena et Leonard Susskind ont proposé que dans un certain sens, les trous de ver et l’intrication quantique décrivent la même chose.
Dans un papier récent, Susskind a proposé certaines implications de cette réalisation. Parmi ces implications : La compréhension de l’équivalence entre l’intrication et le trou de ver pourrait être la clé pour fusionner la mécanique quantique avec la relativité générale. Et les détails de cette fusion pourraient expliquer le mystère de l’intrication et que l’espace-temps proprement dit pourrait émerger de l’intrication quantique. Et qu’on pourrait résoudre les controverses sur l’interprétation de la mécanique.
L’équation ER = EPR nous dit que le réseau immense et complexe de sous-systèmes intriqués, qui comprend l’univers, est également un réseau immense et complexe de ponts d’Einstein-Rosen selon Susskind. Pour moi, il semble évident que si ER = EPR est vrai, alors c’est une découverte majeure, car elle affecterait les fondations et les interprétations de la mécanique quantique.
L’intrication des champs quantiques
L’intrication est l’un des plus gros obstacles pour comprendre la physique quantique. Elle se produit quand 2 particules sont émises d’une source commune. La description quantique d’une telle paire de particules vous dit que les probabilités, qu’une mesure d’une des propriétés des particules (son spin par exemple), vont donner un résultat particulier (dans le sens contraire des aiguilles d’une montre par exemple). Mais une fois qu’un membre de la paire a été mesuré, vous connaissez instantanément le résultat de la mesure sur l’autre particule indépendamment de la distance entre les 2. Einstein a toujours refusé ce lien en insistant que la mesure sur un endroit ne pouvait pas affecter une expérience distante en la considérant comme une action terrifiante à distance. Mais de nombreuses expériences ont confirmé l’intrication quantique. Même si on doit comprendre qu’il n’y a aucune information qu’on peut envoyer de manière instantanée, mais il semble qu’une particule sache ce qui arrive à sa partenaire.
En général, les physiciens parlent d’intrication entre 2 particules. Mais c’est l’exemple le plus simple. Susskind pointe le fait que les champs quantiques, la chose qui sont à l’origine des particules, peuvent être aussi intriqués. Dans le vide de la théorie quantique des champs, les champs quantiques dans les régions disjointes sont intriqués selon les mots de Susskind. C’est lié à l’apparition de ce qu’on appelle des particules virtuelles qui apparaissent et disparaissent dans le vide. Ces particules apparaissent par paires de nulle part et leur origine commune garantit qu’elles sont intriquées. Pendant leur vie très brève, elles percutent parfois avec des particules réelles qui deviennent intriquées à leur tour.
L’équivalence entre le trou de ver et l’intrication quantique
Maintenant, supposez qu’Alice et Bob, les meilleurs expérimentateurs de la physique quantique, commencent à collecter ces particules réelles intriquées dans le vide. Alice prend un membre de chaque paire et Bob prend l’autre. Ils s’envolent ensuite sur de grandes distances et ensuite, ils compriment ces particules d’une manière tellement dense qu’elles deviennent des trous noirs. Grâce à l’intrication des particules de base, Alice et Bob ont donc créé des trous noirs intriqués. Si ER = EPR est vrai, alors un trou de ver va connecter ces trous noirs. De ce fait, on peut décrire l’intrication quantique en utilisant la géométrie des trous de ver. C’est une prétention remarquable dont on arrive à peine à imaginer les conséquences selon Susskind.
Encore plus remarquable, selon Susskind, est la possibilité que 2 particules intriquées soient elles-mêmes connectées par une sorte de trou de ver quantique. Étant donné que les trous de ver sont des contorsions de la géométrie de l’espace-temps, décrites par les équations de gravitation d’Einstein, leur identification avec l’intrication quantique va forger un lien entre la gravitation et la mécanique quantique.
Dans n’importe quel événement, ces développements mettent l’emphase sur l’importance de l’intrication pour comprendre la réalité. En particulier, ER = EPR illumine le débat contentieux sur l’interprétation de la mécanique quantique. L’interprétation sage de la physique quantique (l’interprétation de Copenhague) souligne l’importance de l’observateur. Ce dernier, lorsqu’il fait une mesure, provoque l’effondrement des multiples possibilités quantiques, dans un résultat défini. Mais l’interprétation rivale (celle d’Everett sur les mondes parallèles) postule que les possibilités multiples se produisent. L’observateur voit seulement une branche de ces possibilités multiples.
Dans l’image d’Everett, l’effondrement du nuage de probabilités (la fonction d’onde) ne se produit jamais. Les interactions (les mesures) provoquent simplement l’intrication des entités en interaction. La réalité devient donc un réseau complexe d’intrications. En principe, tous ces événements intriqués pourraient être inversés et donc, rien ne s’effondre ou plutôt il serait incorrect de dire que l’effondrement est irréversible. Mais la vision standard de l’effondrement irréversible fonctionne bien en pratique. Il n’est pas faisable d’annuler la multitude d’interactions complexes qui se produisent dans la réalité. En d’autres termes, selon Susskind, l’équation ER = EPR suggère que les 2 visions de la réalité quantique sont complémentaires.
Susskind va plus loin en explorant les détails techniques sur le fonctionnement de l’intrication avec des participants multiples et il décrit aussi les implications pour considérer l’intrication comme équivalent au trou noir. Il est certain, par exemple, qu’on ne peut pas utiliser les trous de ver pour envoyer un signal à une vitesse plus rapide que la lumière. Ainsi, Alice et Bob ne peuvent pas envoyer des messages via le trou de ver qui connecte leurs trous noirs respectifs. S’ils veulent vraiment se parler, alors ils devront sauter dans leur trou noir et se rencontrer au milieu d’un trou noir. Une telle rencontre confirmerait l’hypothèse ER = EPR même si on peut penser qu’Alice et Bob auraient dû mal à publier leur papier pour nous le confirmer.
Des propositions sur les états quantiques et la géométrie de l’espace-temps
Dans le même temps, de nombreux papiers sont apparus sur l’équation ER = EPR et l’autre aspect lié à la gravitation qui est la géométrie de l’espace-temps et sa connexion avec l’intrication quantique. Dans un papier récent, ChunJun Cao, Sean M. Carroll et Spyridon Michalakis, des physiciens de Caltech, tentent de montrer que l’espace-temps peut être construit à partir de l’intrication quantique dans le vide. Dans ce papier, nous nous avançons pour dériver l’existence et les propriétés de l’espace à partir d’une description intrinsèquement quantique en utilisant l’intrication selon les chercheurs. Ils montrent comment les changements dans les états quantiques, les descriptions purement quantiques de la réalité, peuvent être associés à des changements dans la géométrie de l’espace. Dans ce sens, selon ces physiciens, la gravitation émane de la mécanique quantique d’une manière naturelle.
Cao, Carroll et Michalakis reconnaissent que leur approche reste incomplète avec des suppositions qui devront être vérifiés. Notre supposition est très conjoncturelle et préliminaire selon Carroll dans un article de blog. Nous n’avons pas une théorie complète du tout, ce ne sont que de grandes suppositions et même nos calculs ne sont pas rigoureux.
Mais même si c’est balbutiant, de nombreux physiciens estiment qu’une porte s’est ouverte pour unifier la mécanique quantique et la gravitation. Si c’est le bon chemin, selon Carroll, alors il sera très facile de comprendre la gravitation à partir de la mécanique quantique, car c’est automatique. Et Susskind pense que le chemin de la gravitation quantique, via le trou de ver, démontre que l’unité des 2 théories est bien plus profonde que les suppositions des scientifiques. L’implication de l’équation ER = EPR selon Susskind, est que la mécanique quantique et la gravitation sont bien plus connectées que ce qu’on avait imaginé.
Fascinant