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Minitrous noirs : une expérience pour les détecter autour de nous

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L'espace-temps est-il continu ? N'est-il pas en ébullition permanente à l'échelle de Planck, agité par des fluctuations quantiques faisant apparaître des minitrous noirs et des minitrous de ver tout autour de nous ? Le physicien Jacob Bekenstein vient d'avoir une brillante idée pour tenter de le savoir. Une simple expérience sur une paillasse pourrait suffire.

Le physicien Jacob Bekenstein était l'élève de John Wheeler à Princeton lorsqu'il a découvert que les trous noirs devaient posséder une entropie. Depuis lors, il s'interroge sur la gravitation quantique. © Tiram Sasson

Le journal Nature fait actuellement écho à un étonnant article déposé récemment sur arxiv. Son auteur n'est autre que Jacob Bekenstein, le découvreur de l'entropie des trous noirs et l'auteur de la version relativiste de la théorie Mond. La question à laquelle il tente de répondre dans cet article est ancienne. Elle remonte au moins à la fin des années 1950 lorsque le futur mentor de Bekenstein, le mythique John Wheeler, commençait sa quête d'une théorie unifiée de l'espace-temps, de la matière et des forces, incorporant la mécanique quantique.

Wheeler s'interrogeait alors sur l'effet des fluctuations quantiques sur la structure de l'espace-temps. Par analogie avec la mécanique des fluides, il 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 petite comparée à un atome d'hydrogène, dont le rayon est de 10-10 m environ.

John Archibald Wheeler a connu de très près tous les créateurs de la physique du siècle dernier, notamment Bohr et Einstein. Célèbre pour ses spéculations hardies sur les fondements de la physique et le principe anthropique, il fut l’un des concepteurs de la bombe H américaine. On lui doit d'importants travaux sur la physique des trous noirs et la gravitation quantique. © webofstories.com

Mais si l'on disposait d'un microscope suffisamment puissant, par exemple avec les faisceaux de particules d'un accélérateur, on verrait apparaître les turbulences de la gravitation quantique. Elles prendraient la forme de paires de minitrous noirs chargés, de minitrous noirs neutres et même de minitrous de ver apparaissant et disparaissant sans cesse dans le vide, comme les paires virtuelles d'électron-positron responsables de l'effet Lamb. Malheureusement, il faudrait un LHC du diamètre de la Galaxie comme accélérateur assez puissant pour atteindre la résolution spatiale nécessaire à ces observations.

Des tests de la gravitation quantique grâce à l'astrophysique

Les physiciens ne se sont pas découragés pour autant : ils ont réalisé que pour atteindre l'énergie associée à l'échelle de Planck, l'univers était un fantastique accélérateur. Le Big Bang lui-même pouvait avoir laissé des traces de la physique à l'échelle de Planck dans le rayonnement fossile. Une autre fenêtre possible sur cette physique pouvait provenir de l'étude des rayons gamma à très haute énergie.

Des contraintes ont effectivement été obtenues avec les satellites Fermi et Integral, mais sans que la structure en écume de Wheeler ait pu être mise en évidence.

On ne sait pas encore officiellement ce qui a été trouvé à ce sujet dans les observations du satellite de l'Esa, Planck. Il faudra probablement attendre le 2 avril 2013 pour le savoir, car un grand colloque sur les mesures faites par Planck est prévu à cette date.

Schéma de l'expérience de Bekenstein. Un bloc d'un matériau diélectrique transparent (transparent block) est suspendu dans un vide très poussé et à une température proche du zéro absolu. Des photons dans le domaine du visible sont envoyés un à un (par le single photon emitter) à travers le bloc puis recueillis par un détecteur (detector) pour voir s'ils sont réfléchis ou non. © Nature-Bekenstein

Si l'on en croit Jacob Bekenstein, la mise en évidence d'une possible structure en écume de l'espace-temps pourrait être beaucoup plus simple qu'on le pensait.

Le physicien propose d'utiliser un simple bloc de matière transparente d'une masse convenablement choisie et d'envoyer sur lui des photons dans le domaine du visible.

La manifestation d'une mer de trous noirs virtuels

Bien que ce ne soit pas sous l'effet d'un choc avec ces photons, le bloc doit se déplacer précisément d'une distance correspondant à la longueur de Planck d'après les calculs de Bekenstein, en raison d'un effet subtil de l'électromagnétisme dans les milieux diélectriques. Si l'on suppose que le vide autour de nous est rempli de minitrous noirs dont l'horizon des événements est d'une taille comparable à la longueur de Planck et qui apparaissent et disparaissent du fait des fluctuations quantiques de l'espace-temps, un phénomène très simple devrait se manifester.

En effet, si le centre de masse du bloc transparent se trouve momentanément dans un de ces minitrous noirs, un mouvement de l'ensemble du bloc sous l'effet de la traversée d'un photon est impossible sur une longueur de Planck. Ce photon doit être réfléchi de sorte que si l'on mesure l'intensité d'un flux de ces photons de l'autre côté du bloc transparent, elle sera plus faible que celle à laquelle on s'attendrait sans ces effets de gravitation quantique.

Expérience sous vide à 0,5 K

Évidemment, Bekenstein est bien conscient que l'effet est difficile à mesurer et que le simple bruit thermique de l'environnement suffit à perturber sérieusement l'expérience.

Toutefois, d'après les estimations du chercheur, si l'on plaçait le bloc dans une enceinte avec un vide très poussé et que l'expérience se déroulait à une température de l'ordre de 0,5 K, on devrait voir l'effet de la structure en écume de l'espace-temps de Wheeler.

Si Bekenstein a raison et que l'expérience donne effectivement un résultat positif, ce serait une fenêtre ouverte sur les phases très primitives de la naissance de l’univers observable, au moment où une théorie quantique de la gravitation devient un outil nécessaire pour comprendre cette naissance.

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