Les physiciens pensent que nous vivons dans un hologramme géant

Certains physiciens pensent en fait que l'univers dans lequel nous vivons pourrait être un hologramme géant. Cette profession scientifique est de plus en plus populaire. Et le plus intéressant, c'est que cette idée ne ressemble pas tout à fait à la modélisation comme la "Matrix", mais conduit plutôt au fait que s'il nous semble que nous vivons dans un univers tridimensionnel, elle peut n'avoir que deux dimensions. C'est ce qu'on appelle le principe holographique.

L'idée se résume à ceci: une surface bidimensionnelle distante contient toutes les données nécessaires pour décrire pleinement notre monde - et, comme dans un hologramme, ces données sont projetées en trois dimensions. Comme les personnages sur l'écran de télévision, nous vivons sur une surface plane qui ne nous semble que profonde.

Cela semble absurde. Mais si les physiciens arrivent à la conclusion que leurs calculs sont corrects, tous les grands problèmes de physique - comme la nature des trous noirs et la conciliation de la gravité et de la mécanique quantique - seront beaucoup plus faciles à résoudre. En bref, les lois de la physique ont plus de sens lorsqu'elles sont écrites en deux dimensions plutôt qu'en trois.

«Ce n'est pas une idée folle parmi la plupart des physiciens théoriciens», déclare Leonard Susskind, le physicien de Stanford qui a formellement formé l'idée il y a des décennies. "Il est devenu un outil de travail au quotidien pour résoudre les problèmes de physique."

Cependant, il y a un point important à noter. Il n'y a aucune preuve directe que notre univers est en fait un hologramme bidimensionnel. Ces calculs ne sont pas les mêmes que la preuve mathématique. Au contraire, ils suggèrent de façon intrigante que notre univers pourrait être un hologramme. Et même si tous les physiciens ne sont pas convaincus que nous avons un bon moyen de tester l'idée expérimentalement.

D'où est venue l'idée que l'univers pourrait être un hologramme?

Cette idée est née à l'origine de quelques paradoxes associés aux trous noirs.

1. Le paradoxe de la perte d'informations dans un trou noir

En 1974, Stephen Hawking a découvert que les trous noirs, contrairement à la croyance populaire, émettent de petites quantités de rayonnement au fil du temps. En fin de compte, lorsque toute l'énergie s'est écoulée au-delà de l'horizon des événements - le bord extérieur du trou noir - le trou noir devrait disparaître complètement.

Néanmoins, cette idée a conduit à l'émergence du problème de la perte d'informations dans un trou noir. Pendant longtemps, on a cru que les informations physiques ne pouvaient pas être détruites: toutes les particules prennent leur forme d'origine, ou en cas de changement, elles affectent d'autres particules, de sorte que les modifications peuvent être utilisées pour restaurer l'état d'origine des particules.

Par analogie, imaginez une pile de documents introduite dans une déchiqueteuse. Même si les documents sont déchirés jusqu'aux plus petites particules, les informations qu'ils contiennent continueront d'exister. Il sera divisé en petites parties, mais il ne disparaîtra pas, et dans un certain temps, le document pourra être réassemblé. Par conséquent, vous pourrez découvrir ce qui y est écrit. Fondamentalement, la même chose peut être appliquée aux particules.

Mais il y a un problème: si un trou noir disparaît, les informations sur chaque objet aspiré semblent également avoir disparu.

Une solution, proposée par Susskind et le physicien néerlandais Gerard t'Hooft au milieu des années 90, était que lorsqu'un objet est entraîné dans un trou noir, il laisse derrière lui une sorte d'empreinte bidimensionnelle encodée dans l'horizon des événements. Plus tard, lorsque le rayonnement sort du trou noir, il capte les empreintes digitales de ces données. Ainsi, les informations ne sont pas réellement détruites.

Les calculs ont montré que suffisamment d'informations peuvent être stockées sur la surface bidimensionnelle d'un trou noir pour décrire complètement tous les objets tridimensionnels possibles à l'intérieur.

«L'analogie à laquelle nous avons tous deux pensé indépendamment est quelque chose comme un hologramme - un morceau de film en deux dimensions sur lequel vous pouvez encoder des informations sur une région en trois dimensions de l'espace», dit Susskind.

2. Le problème de l'entropie

Il y avait aussi un problème connexe de calcul de la quantité d'entropie dans un trou noir - c'est-à-dire la quantité de désordre et de caractère aléatoire parmi ses particules. Dans les années 70, Yaakov Bekenstein a calculé que son entropie est limitée et sa barre est proportionnelle à la région bidimensionnelle de l'horizon des événements du trou noir.

«Pour les systèmes de matière ordinaire, l'entropie est proportionnelle au volume, pas à la surface», explique Juan Maldacena, un physicien argentin qui a participé à l'étude du principe holographique. En fin de compte, lui et d'autres sont parvenus à la conclusion que ce qui ressemble à un objet en trois dimensions - un trou noir - pouvait être mieux compris en deux dimensions.

Comment cette idée est-elle passée des trous noirs à l'univers entier?

Rien de tout cela ne prouve que les trous noirs sont des hologrammes. Mais presque immédiatement, dit Susskind, les physiciens ont reconnu que traiter l'univers comme un objet bidimensionnel qui ne semble être que tridimensionnel pourrait aider à résoudre bon nombre des problèmes les plus profonds de la physique théorique. Les mathématiques de la théorie fonctionnent aussi bien que vous parliez d'un trou noir, d'une planète ou de l'univers entier.

En 1998, Maldacena a démontré qu'un univers hypothétique pouvait être un hologramme. Son univers hypothétique privé était l'espace dit anti-de-Sitter (en termes simples, une forme incurvée à de grandes distances, par opposition à notre univers plat).

De plus, en regardant cet univers en deux dimensions, il a trouvé un moyen de s'inspirer de l'idée incroyablement populaire de la théorie des cordes - un vaste domaine théorique dans lequel les éléments de base de notre univers sont des chaînes unidimensionnelles, et non des particules.

Et plus important encore, dans le processus, il a combiné deux concepts incroyablement importants et distincts de la physique dans un cadre théorique. «Le principe holographique reliait la théorie de la gravité aux théories de la physique des particules», dit Maldacena.

La combinaison de ces deux idées fondamentales en une théorie cohérente (souvent appelée gravité quantique) reste l'un des Saint Graal de la physique. Bien sûr, cela ne nous dit pas non plus que notre univers - et non hypothétique - est un hologramme.

Notre univers pourrait-il, en principe, être un hologramme - ou cette idée ne s'applique-t-elle qu'à une hypothétique? Cela reste le sujet d'un débat acharné.

De nombreux travaux théoriques ont récemment suggéré que le principe holographique pourrait fonctionner pour notre univers - y compris des articles de haut niveau rédigés par des physiciens autrichiens et indiens qui ont été publiés en mai.

Comme Maldacena, ils ont également cherché à appliquer le principe et à trouver des similitudes entre les domaines disparates de la physique quantique et la théorie de la gravité. Dans notre univers, ces deux théories ne convergent pas: elles prédisent des résultats différents concernant le comportement de chaque particule individuelle.

Mais dans le nouveau travail, les physiciens ont calculé comment ces théories peuvent prédire le degré d'intrication - un étrange phénomène quantique dans lequel les états de deux minuscules particules peuvent se corréler de telle manière qu'un changement dans une particule affecte l'autre, même à grande les distances. Les scientifiques ont découvert qu'en traitant un modèle particulier d'un univers plat comme des hologrammes, ils peuvent obtenir les mêmes résultats avec les deux théories.

Cependant, bien que ce soit un peu plus proche de l'univers sur lequel Maldacena travaillait, les scientifiques ont travaillé avec un seul type particulier d'espace plat, et leurs calculs ne prenaient pas en compte le temps - seulement trois dimensions spatiales. De plus, même s'il pouvait s'appliquer directement à notre univers, cela montrerait seulement qu'il peut s'agir d'un hologramme.

Comment prouver que notre Univers est un hologramme?

Le meilleur type de preuve devrait commencer par une sorte de prédiction testable déduite de la théorie holographique. Les physiciens expérimentaux pourraient rassembler des preuves pour voir si les résultats correspondent aux prévisions. Par exemple, la théorie du Big Bang a prédit que nous pourrions trouver des restes d'énergie émanant de l'univers entier à la suite d'une expansion violente il y a 13, 8 milliards d'années - et dans les années 1960, les astronomes ont fait exactement cela, sous la forme du fond cosmique des micro-ondes. .

Il n'existe actuellement aucun test universel qui fournit des preuves solides de cette idée. Cependant, certains physiciens pensent que le principe holographique prédit une limite à la quantité d'informations que l'espace-temps peut contenir, puisque notre espace-temps tridimensionnel apparent est codé dans une quantité limitée d'informations bidimensionnelles.

Craig Hogan des Laboratoires Fermi utilise un outil appelé Holomètre pour capturer les preuves de ce qui précède. Il repose sur de puissants lasers, qui cherchent une limite fondamentale à la quantité d'informations présentes dans l'espace-temps lui-même - à des niveaux ultra-petits et sous-microscopiques. S'il est trouvé, ce sera la preuve que nous vivons dans un hologramme.

D'autres physiciens, dont Susskind, ne croient pas à cette expérience et disent qu'elle ne fournira aucune preuve du principe holographique.

Ok, nous vivons dans un hologramme. Et après?

À proprement parler, rien. Les lois de la physique par lesquelles vous vivez votre vie resteront les mêmes. Votre maison, votre chien, votre voiture, votre corps continueront d'être des objets tridimensionnels, comme ils l'ont toujours semblé et ont toujours été. Mais dans un sens profond, cette découverte va révolutionner notre existence à un niveau fondamental.

Pour notre vie quotidienne, peu importe qu'il y a 13, 8 milliards d'années, dans une explosion soudaine et violente, à partir d'un seul point de la matière, notre Univers se soit formé. Mais la découverte du Big Bang reste un outil important dans notre compréhension de l'histoire de l'univers et notre compréhension de notre place dans l'espace.

De même, les étranges principes de la mécanique quantique - l'intrication dans laquelle deux particules distantes s'influencent d'une manière ou d'une autre - n'affectent en rien notre vie quotidienne. Vous ne voyez pas les atomes et vous ne savez pas ce qu'ils font au plus petit niveau. Mais ces principes nous permettent de découvrir des lois inattendues de la nature.

La confirmation du principe holographique sera la même. En vivant nos vies, nous ne saurons peut-être même jamais le fait étrange et contradictoire que nous vivons dans un hologramme. Mais cette découverte sera une étape importante vers une compréhension complète des lois de la physique - qui régissent chaque action que vous entreprenez.