Trou de ver

Exemple de trou de ver dans unemétrique de Schwarzschild,tel qu'il serait vu par un observateur ayant franchi l'horizon dutrou noir.La région d'où vient l'observateur est située à droite de l'image. Mise à part la région située près de l'ombre du trou noir, les effets dedécalage vers le rougegravitationnel 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 accessible, quelle que soit la trajectoire de l'observateur, car celui-ci est condamné à finir sur lasingularité gravitationnelleen un temps relativement bref.

Schéma du principe du trou de ver.

Untrou de ver(enanglais:wormhole) est, enastrophysique,un objet hypothétique qui relierait deux feuillets distincts ou deux régions distinctes de l'espace-tempset se manifesterait, d'un côté, comme untrou noiret, de l'autre côté, comme untrou blanc.

Un trou de ver formerait un raccourci à travers l'espace-temps. Pour le représenter plus simplement, on peut figurer l'espace-temps non en quatre dimensions mais en deux, à la manière d'un tapis ou d'une feuille de papier, dont la surface 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 correspondant au trou de ver.

L'utilisation d'un trou de ver permettrait théoriquement 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, simultanément, à travers le temps).

Les trous de ver sont des concepts purement théoriques: l'existence et la formation physique de tels objets dans l'Universn'ont pas été vérifiées. Ils ne doivent pas être confondus avec lestrous noirs,dont l'existence a été vérifiée en 2019 et dont lechamp gravitationnelest si intense qu’il empêche toute forme dematièrede s'en échapper.

Historique

Le physicienautrichienLudwig Flamm(1885-1964) est parfois présenté comme étant le premier à avoir suggéré, dès1916,l'existence des trous de ver. Mais lacommunauté scientifiques'accordepour considérer que leur existence n'a été suggérée qu'en1935,parAlbert EinsteinetNathan Rosen.

Les trous de ver (wormholes) doivent leur nom àCharles W. MisneretJohn A. Wheelerqui désignèrent ainsi en1957les propriétés de connexions des différents points de l'espace.Le nom vient de l'analogie de l'asticotet de lapomme,symbole de la gravité depuisIsaac Newton:comme le ver, en rongeant la pomme, peut se rendre directement à un point diamétralement opposé, un vaisseau spatial pourrait utiliser le trou de ver, à la façon d'un raccourci, pour ressortir ailleurs dans l'espace et dans le temps.

Quelques années plus tard à l’université Harvard,Stephen HawkingetRichard Colemanreprirent le concept de Wheeler et suggérèrent que l'espace-temps pouvait être soumis à l'effet tunnelprécité, reprenant l'idée avancée parHugh Everett.À l'instar desélectronsqui 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.

En2013,Juan MaldacenaetLeonard Susskindont proposé uneconjecturequi établit un lien entre l'intrication quantiqueet le trou de ver:la conjectureER=EPR.

Présentation générale

Simulation d'un trou de ver permanent.

À l'heure actuelle, différents types de trous de ver ont été décrits de façon théorique:

• le trou de ver deSchwarzschild,infranchissable;
• le trou de ver deReissner-Nordstrømou deKerr-Newman,franchissable mais dans un seul sens, pouvant contenir un trou de ver de Schwarzschild;
• le trou de ver deLorentzàmasse négative,franchissable dans les deux sens.

Tous sont des solutions mathématiques plutôt que des objets concrets.

Ont également été distingués des trous de ver àsymétriesphérique,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 essaie de fabriquer un trou de ver à partir dematièreà masse positive, il explose et se désintègre. Si une matière à masse négative existe (matière exotique), on peut en principe élaborer un trou de ver statique en accumulant desmassesnégatives.^{[réf.souhaitée]}

La théorie d'Einsteinprécise qu'on peut fabriquer n'importe quel type degéométriespatio-temporelle, statique ou dynamique. Toutefois, une fois la géométrie définie, ce sont leséquations d'Einsteinqui diront quel devra être letenseur énergie-impulsionde la matière pour obtenir cette géométrie spatiale. En général, les solutions de trous de ver statiques requièrent une masse négative.

Einstein et Rosen ont sérieusement suggéré que les singularités pouvaient mener à d'autres endroits de l'Univers,d'autres régions de l'espaceet dutemps.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 desfluctuations quantiques.Selon la formule de John L. Friedman^[Qui?]de l'université de Californie à Santa Barbara,il s'agit d'une «censuretopologique»^{[réf. nécessaire]}.

Ces trous de vers dits de Lorentz requièrent de lamatière exotiquepour rester ouverts car celle-ci demande moins d'énergie que levide quantique,qui subit des fluctuations d'amplitude variables. Il peut s'agir d'énergie négativequi maintiendrait l'ouverture du trou de ver loin de l'horizon.L'ouverture elle-même présente une pression de surface positive [Négative?] qui la maintient ouverte durant les transferts et évite qu'elle ne s'effondre. Seulement, on ne sait comment stocker autant d'antimatière et suffisamment longtemps au même endroit pour entretenir ce tunnel dans l'espace-temps.^{[réf. nécessaire]}

Vaisseau interstellaireempruntant un trou de ver (Vision d'artiste pour laNASA,1998).

Pour approfondir les conséquences de larelativité générale,Kip ThorneetRichard MorrisduCaltechont tenté de découvrir par le biais de laphysique quantiquede nouvellesparticulescapables d'entretenir les trous de ver deWheeler.Celles-ci ont fait apparaître d'hypothétiques « sas de liaisons » parcourus par des « voyageurs de Langevin ». La littérature de science-fiction s'en est grandement inspirée.

SelonJohn Wheeler,deuxsingularitéspourraient être reliées par un trou de ver, sorte de sas entre deux régions éloignées de l’univers. Entretenir un tel passage et lui donner une taille macroscopique reste un défi théorique. En effet ce « pont » est à l’échelle de Planck:il mesure 10⁻³³cmet est instable; il se referme sur lui-même en l’espace de 10⁻⁴³s.Si on essaye de l’agrandir, il s'autodétruit. Le trou de ver appartient à lamousse quantiqueet obéit aux loisprobabilistes.

Au contraire d’une singularité, un trou de ver est « nu », il demeure visible et, plus extraordinaire encore, il permet de voyager dans le temps en fonction du sens emprunté.

Exemple: le trou de ver de Morris-Thorne

Letrou de ver de Morris-Thorne(enanglais:Morris-Thorne wormhole)est un trou de ver traversable, décrit par lamétriquedu même nom.

Seséponymessont Michael S. Morris etKip S. Thorne,qui ont publié leur solution en1988dans l'American Journal of Physics.Elle consiste en une adaptation du sujet de l'examen final d'un cours d'introduction à la relativité générale, donné auCalifornia Institute of Technologyen1985.

La métrique de Morris-Thorne s'écrit:

$\mathrm {d} s^{2}=-c^{2}\mathrm {d} t^{2}+\mathrm {d} l^{2}+\left(b_{0}^{2}+l^{2}\right)\left(\mathrm {d} \theta ^{2}+\sin ^{2}\theta \,\mathrm {d} \phi ^{2}\right)$,

où:

• $\left(x^{\mu }\right)=\left(ct,l,\theta,\phi \right)$sont lescoordonnées d'espace-temps:
  • $t$est la coordonnée temporelle,
  • $l$est la coordonnée radiale,
  • $\theta$est lacolatitude,
  • $\phi$est lalongitude,
• $b_{0}^{2}$est une constante,
• $c$est lavitesse de la lumière dans le vide.

Encoordonnées de Schwarzschild,elle s'écrit:

$\mathrm {d} s^{2}=-c^{2}\mathrm {d} t^{2}+{\frac {\mathrm {d} r^{2}}{1-{\frac {b_{0}^{2}}{r^{2}}}}}+r^{2}\left(\mathrm {d} \theta ^{2}+\sin ^{2}\theta \,\mathrm {d} \phi ^{2}\right)$,

avec$r^{2}=b_{0}^{2}+l^{2}$.

La « bouche » du trou de ver est unehypersurfaceayant la topologie d'unesphèred'aire$A=4\pi \left(b_{0}^{2}+l^{2}\right)$.

La « gorge » du trou de ver est localisée en$l=0$.

Dans la fiction

Le concept des trous de ver est très utilisé dans lascience-fictionpour autoriser le voyage dans l'espace, voire dans le temps. Il est souvent utilisé comme prétexte à la découverte de lieux inaccessibles par des moyens conventionnels, et donc à des rencontres avec diverses civilisations ou espèces inconnues. Voici des exemples d'œuvres traitant des trous de vers et de leur utilisation.

Littérature et bande dessinée

Dans la série des romans autour deHonor Harringtonse passant dans l'Honorversecréé parDavid Weber,les trous de ver sont utilisés pour les trajets spatiaux et jouent un rôle important dans l'économie du royaume de Manticore.

DansLumière des jours enfuis,publié en 2000,Arthur C. ClarkeetStephen Baxterracontent qu'en 2033, une équipe de chercheurs parvient à transmettre des images par un trou de ver.

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

Dans la sérieLa Saga du CommonwealthdePeter F. Hamilton,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 utilisée pour les créer.

Cette notion est de plus en plus fréquente dans la littérature «Hard science-fiction». Stephen Baxter (Les Vaisseaux du temps,Retour sur Titan,Singularité) ouJohn Clute(Appleseed) offrent une approche romancée de la théorie. Ce concept se retrouve en particulier dans les romans de typenéo space opéra.Dans la série de romansThe Expanseécrite parJames S. A. Corey,un trou de ver fabriqué par une ancienne puissance extraterrestre permet d'accéder à un espace vide entouré de trous de ver ouvrant sur dessystèmes planétaireslointains.

Cinéma et séries télévisées

Dans la sérieSliders,un tel passage est appelé par erreur « pont Einstein-Rosen-Podolski » au lieu de « ponts d’Einstein-Rosen », par confusion avec leparadoxe Einstein-Podolsky-Rosen,lequel n’a rien à voir avec les trous de ver. Curieusement, le nom est resté chez quelques vulgarisateurs.Podolskya donc vu son nom associé à un objet particulier de la relativité générale sans avoir travaillé dans ce domaine.

Dans le filmContactest mentionnée une série de vortex appelée « pont d'Einstein-Rosen ».

Toute la sérieFarscaperepose sur la découverte et la compréhension des trous de ver (wormholesen VO,vortexen VF), ceux-ci permettant de parcourir de très grandes distances, de voyager dans le temps et dans d’autres dimensions.

DansStar Trek: Deep Space Nine,la traduction française utilisevortexpour le terme anglaiswormholes,lequel est utilisé pour voyager de et vers leQuadrant Gammaà 70 000 années-lumière de l'autre côté de laGalaxie.La particularité de lastationDeep Space Nineest d'être stratégiquement placée à proximité de ce trou de ver.

Une réplique deporte des étoilesàJapan Expo2009.

Le film de science-fictionStargate, la porte des étoileset les sériesStargate SG-1,Stargate AtlantisetStargate Universefont appel au concept de trou de ver. Un engin appeléporte des étoiles(en anglaisstargate) y relie différentes planètes de l’Univers en créant un trou de ver deReissner-Nordstrøm(ou deKerr-Newman) artificiel. Cependant, un corps entier comme celui d'un homme ne survivrait pas au voyage dans le vortex, il est doncdémolécularisépar la porte de départ etremolécularisépar 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 (dans un épisode, le vortex passe près d'uneéruption solaireet est renvoyé vers la porte de départ mais dans une autre époque). De même, les trous de ver sont utilisés dans les sériesStargatepour faire traverser aux vaisseaux spatiaux de grandes distances en peu de temps en entrant enhyperespace,c'est-à-dire en créant un trou de ver deReissner-Nordstrømafin de voyagerplus vite que la lumière.

Dans le filmDonnie Darko,sorti en 2001, le trou de ver est un élément central permettant unvoyage vers le passé.

Dans la sérieFringe,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 l'épisodeLe Fantôme de Caliburnde la sérieDoctor 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 le filmInterstellarréalisé parChristopher Nolanet sorti en 2014, l'un des thèmes principaux est la théorie des trous de ver et son utilisation pour atteindre des planètes potentiellementcolonisablessituées à desannées-lumièrede la Terre. Le thème de la distorsion temporelle due à untrou noiry est également important.

Dans le film d'horreurEvent Horizonde Paul W.S Anderson sorti en 1997, le système de propulsion du vaisseau est un prototype utilisant une singularité à l'aide d'un trou noir artificiel qui lui permet de créer son propre trou de ver. Ce concept est vulgarisé par le personnage incarné parSam Neillà l'aide d'un poster érotique emprunté à l'un des membres de l'équipage.

Dans la série animéeVoltron, le défenseur légendaire,les trous de vers sont associés à la magie altéenne^[Quoi?]et ne semblent pas obéir aux lois de la physique.

Dans la sérieDark,le destin des protagonistes est influencé par l'existence d'un trou de ver permettant de voyager dans le temps, car le passé, le présent et le futur sont liés, formant uneboucle temporelle.

Dans ladeuxième saison deStar Trek: Discovery,la combinaison temporelle du Dr Burnham permet de voyager dans l'espace-temps au moyen de trous de ver générés par uncristal temporelembarqué.

Dans la saison 6 deLes 100apparaît « l’anomalie », dont on apprend dans la saison 7 qu’il s’agit de trous de ver permettant de se déplacer entre différentes planètes où le temps ne s’écoule pas à la même vitesse (sanctum, Bardo, la terre,etc.). Ces trous de ver sont générés par un dispositif appelé « la pierre », couvert de symboles et inventé par une civilisation disparue.

Dans le jeu vidéoChernobylite,le trou de ver permet au personnage principal de voyager d'un endroit à un autre de la région de Tchernobyl.

Annexes

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Émission de radio

• Nicolas Martin,«Trous de ver, la porte des étoiles»[audio],émissionLa Méthode scientifique(57 min),France Culture,8 mai 2018.

Articles connexes

• Trou noir
• Espace-temps
• Voyage dans le temps

Liens externes

• Notices d'autorité:

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• Notices dans des dictionnaires ou encyclopédies généralistes:

  • Britannica
  • Den Store Danske Encyklopædi
  • Store norske leksikon
• Ressource relative à la littérature:
  • The Encyclopedia of Science Fiction
• (fr)Un lien possible entre les trous de ver et l'intrication quantiquea été découvert en 2013.
• (en)White holes and Wormholes,Andrew Hamilton, Université du Colorado
• (en)Des méta matériaux permettent d'émuler un trou de ver, selon la théorie d'alcubierre jusqu'à 25 % de la vitesse de la lumière