Cosmologie quantique : Des horizons des trous noirs à celui de l’Univers
D’où vient l’Univers ? Où va-t-il ? Pour répondre à ces questions, il est nécessaire de comprendre la physique à la fois sur le plan cosmologique et quantique. La cosmologie classique, fondée sur la théorie de la relativité générale d’Einstein, est généralement suffisante pour étudier l’Univers. Cependant, pour des événements cruciaux comme sa naissance, la physique à petite échelle devient incontournable. C’est ici qu’intervient la cosmologie quantique, un domaine qui a récemment bénéficié d’avancées notables dans la compréhension des trous noirs.
Les trous noirs et l’Univers partagent un point commun fondamental : un « horizon des événements », une limite au-delà de laquelle rien ne peut s’échapper. Pour un trou noir, cette frontière est celle où même la lumière est piégée. En revanche, l’Univers, en expansion depuis 1998 sous l’effet d’une mystérieuse « énergie noire », présente un horizon des événements sphérique. À mesure que l’espace se dilate, les régions s’éloignent les unes des autres, rendant impossible l’évasion de la lumière au-delà d’un certain point.
Actuellement, notre horizon cosmologique est estimé à environ 16 milliards d’années-lumière. Tant que l’accélération de l’expansion se poursuivra, aucune lumière émise au-delà de cette distance ne pourra nous atteindre.
En 1974, Stephen Hawking a établi que les trous noirs émettent des radiations, entraînant leur évaporation. Les horizons cosmologiques, bien qu’entourants, réabsorbent leurs propres émissions et ne s’évaporent pas. Ce constat soulève un paradoxe : si les trous noirs peuvent disparaître, que devient l’information qu’ils contiennent ? Ce paradoxe, connu sous le nom de « paradoxe de l’information », complique la quête d’une théorie unifiée de la mécanique quantique et de la gravité. En 2019, des chercheurs ont montré que les données d’un trou noir peuvent être récupérées à partir de son rayonnement de Hawking.
Cette avancée a ravivé l’espoir dans le domaine de la cosmologie quantique. En raison des similitudes mathématiques entre trous noirs et horizons cosmologiques, il est devenu évident que la compréhension de l’un est cruciale pour l’autre. Toutefois, des obstacles demeurent, notamment en raison de la différence entre les singularités des trous noirs et l’expansion uniforme de l’Univers.
Le « principe holographique », proposé dans les années 1990, suggère qu’une théorie de la gravité quantique devrait être formulée en deux dimensions plutôt qu’en trois. Ce principe est soutenu par le fait que l’entropie d’un trou noir est proportionnelle à la surface de son horizon, contrairement à d’autres systèmes où elle est liée au volume. Ce concept pourrait offrir une nouvelle perspective sur la nature de l’espace-temps.
Les horizons cosmologiques partagent également une entropie similaire à celle des trous noirs, mais son interprétation reste floue. Si cette entropie mesure la quantité de matière que l’on peut placer au-delà de l’horizon, cela pourrait établir une limite sur la matière présente dans notre Univers.
Les recherches actuelles explorent la possibilité d’accéder aux informations au-delà de l’horizon cosmologique. Des travaux récents ont proposé des univers auxiliaires quantiquement intriqués avec le nôtre, permettant d’accéder à ces informations. Cependant, ces analyses posent des questions sur la nature de l’expansion de l’Univers et de l’intrication quantique.
L’objectif ultime des physiciens est de développer une théorie quantique complète de notre Univers en expansion, idéalement sous une forme holographique. Deux approches sont envisagées : l’une exploitant les outils de la théorie des cordes, l’autre cherchant des indices à partir des propriétés théoriques de l’Univers.
À la tête de ces efforts, des chercheurs comme Dionysios Anninos et Edward Witten explorent comment l’intrication et l’horizon cosmologique influencent la cosmologie quantique. La compréhension de cette intrication pourrait être déterminante pour établir une théorie holographique solide.
Source : Pour la Science
