espace-temps

Un supraconducteur expulse le champ magnétique comme une éponge expulse l'eau. Cet effet Meissner est connu depuis près d'un siècle, mais on le calcule généralement dans un monde plat, sans gravité. Dans le champ intense d'un trou noir ou à vitesse énorme, le tableau change.

Un miroir ordinaire échange la gauche et la droite. Beaucoup de lois de la physique ignorent cette substitution : elles sont symétriques par réflexion. Mais certains phénomènes, comme l'interaction faible, brisent cette symétrie.

Des dizaines d'antennes paraboliques, dispersées sur Terre, écoutent depuis des années le tic-tac de pulsars lointains — des étoiles mortes qui tournent et émettent des impulsions plus régulières que des horloges atomiques.

Newton nous a légué un monde où les corps se déplacent dans le vide et où les horloges battent à l'unisson pour tous. Pendant trois siècles, cette image a fonctionné sans faille. Mais elle repose sur de nombreux échafaudages invisibles : la position absolue, la direction « haut-bas », un rythme temporel unique pour tout l'univers.

Une balance qui ne pèse pas un corps, mais l'espace qui l'entoure. C'est ainsi que fonctionnent les équations d'Einstein dans la relativité générale : elles relient la courbure de l'espace-temps à ce qui s'y trouve.

Dans la vision habituelle du monde, un événement est un point sur la carte de l'espace-temps : « ici et maintenant », sans taille ni structure interne.

Un pendule dans une pièce bruyante reçoit constamment des poussées des gens qui passent. Son mouvement est un mélange d'oscillations régulières et de secousses aléatoires. Quelque chose de similaire se produit avec les faibles ondes gravitationnelles sur fond d'Univers en expansion.

L'horloge dans l'Univers est une affaire délicate. Habituellement, dans les calculs de la naissance du monde, le rôle d'horloge est joué par un champ scalaire particulier — une sorte de fluide invisible remplissant tout l'espace. Il tictaque, et les physiciens observent comment le monde évolue par rapport à ce tictac. Mais ces horloges sont artificielles, introduites pour plus de commodité.

Dans le silence du monde quantique, il n'y a pas de vide. Les particules sont entrelacées par des fils invisibles : l'intrication. Les auteurs de l'étude ont supposé que le tissu même de l'espace-temps est tissé à partir de ces fils.

Deux balles lancées depuis des hauteurs différentes tombent au sol avec des accélérations différentes. Dans l'espace, tout est plus complexe : même le vide fait bouger les corps différemment.

La relativité générale, qui décrit la structure de l'Univers, n'interdit pas les boucles temporelles. Mais Stephen Hawking a émis l'hypothèse d'une « protection de la chronologie » : les effets quantiques devraient détruire ces boucles, rendant les voyages dans le passé impossibles.

L'espace n'est pas un vide, mais une mosaïque de cellules minuscules. En gravité quantique à boucles, la courbure de l'espace-temps passe d'une feuille lisse à un réseau d'« atomes » de volume : les réseaux de spins. Chaque nœud de ce réseau est un quantum d'espace, et les liens entre eux sont des quanta de surface.

Une boule d'argile se déforme entre les mains, change de forme mais ne se déchire pas — certaines zones s'étirent, d'autres se compriment. C'est à peu près ainsi que les physiciens travaillent avec l'espace-temps, sauf qu'au lieu des doigts, ils ont des équations, et au lieu de l'argile, un monde à six dimensions.

Deux nageurs synchronisés plongent dans la mer. L'un tombe dans une zone calme, l'autre dans un tourbillon. Leurs mouvements, parfaitement coordonnés au départ, divergent. C'est à peu près ce qui arrive à deux particules quantiques lorsque l'une se déplace dans un espace plat et l'autre dans un espace courbe.

Un océan infini où chaque vague porte l'information de ce qui se passe en profondeur. C'est à peu près ainsi que fonctionne notre Univers dans le cadre du principe holographique : la physique à l'intérieur d'un volume peut être décrite par les processus à sa frontière.

Dans le grand orchestre de l'univers, chaque instrument a son propre rythme. Les électrons dans l'atome effectuent des sauts quantiques en femtosecondes, les neurones du cerveau échangent des signaux en millisecondes, et un humain a besoin de dixièmes de seconde pour prendre…

En physique quantique, il existe des théories où tout obéit à des proportions nettes — comme un rythme musical qui revient toujours au début de la mesure. Mais il existe aussi des théories « irrationnelles », où le rythme se brise et où il est presque impossible de prédire le prochain battement.

Un coureur qui, au milieu de la course, se met soudain à marcher — ni plus vite ni plus lentement, mais à un rythme constant. C'est un peu ce qui aurait pu arriver à l'Univers lui-même, peu après le Big Bang. Cette phase a été baptisée « stase », du grec signifiant « arrêt ».

Dans l'océan, un tourbillon aspire tout dans un cercle fermé — de même, une onde gravitationnelle dans l'espace vide tord le temps en boucle. Une onde gravitationnelle est une ondulation du tissu cosmique, et sa forme particulière peut transformer le cours ordinaire des événements en cycle fermé.

Un objet ne peut pas être un point. Du moins, pas dans la gravité d'Einstein. Les équations de la relativité générale exigent que la source du champ — la matière — soit étalée dans l'espace, et non concentrée dans un volume infiniment petit.

L'expansion de l'univers ressemble à un ballon que l'on gonfle : les galaxies s'éloignent les unes des autres et l'espace lui-même s'étire. Dans ce modèle, appelé espace de Sitter, il existe un point de vue particulier : l'observateur ne voit qu'une partie du monde, délimitée par un horizon que la lumière ne peut franchir.

Lorsque des corps massifs se déplacent avec accélération – disons deux étoiles qui tournent l'une autour de l'autre – l'espace autour d'eux ne reste pas calme. Il tremble, comme la surface d'un étang après qu'on y a jeté une pierre. Ces tremblements sont appelés ondes gravitationnelles. Ils emportent de l'énergie, et la source perd progressivement de la masse.

Un bâtisseur vérifie la solidité d'une arche non pas en passant en revue toutes ses formes possibles, mais en la déplaçant mentalement un peu et en observant combien de forces sont dépensées. C'est à peu près ainsi que fonctionne le principe du travail virtuel en mécanique. Les auteurs de ce nouveau travail ont transposé cette approche à la géométrie même de l'espace-temps.

La gravité est généralement expliquée par la courbure de l'espace-temps. Les corps massifs le déforment, comme une boule de bowling sur une membrane en caoutchouc tendue. Mais cette approche a deux jumeaux moins connus.

Une surface de donut ordinaire, mais pas lisse : traversée de couches invisibles — comme une pâte feuilletée où chaque couche est légèrement tournée par rapport à sa voisine. C'est ainsi qu'est faite une structure de contact sur une variété tridimensionnelle : en chaque point est défini un plan, et ces plans s'enroulent doucement, se touchant selon une loi particulière.

L'Univers s'étend de plus en plus vite grâce à l'énergie noire. Mais les mesures de cette vitesse donnent des résultats contradictoires. Une nouvelle explication : dans le passé, l'énergie noire aurait agi comme un frein, ralentissant la fuite des galaxies, avant de passer à l'accélération. Comme une voiture qui recule d'abord, puis fonce vers l'avant.

Le temps est une chose capricieuse. À l'intérieur d'une étoile massive, il s'écoule paisiblement, comme le sable dans une vieille horloge posée sur la cheminée. À l'extérieur, à l'échelle de l'univers entier, il s'étire avec l'espace, comme si la même horloge se retrouvait dans un ascenseur qui accélère puis ralentit.

On peut imaginer l'espace-temps comme une toile tendue. Un corps massif la déforme, guidant la lumière. La rotation, elle, tord la toile en spirale. Cet entonnoir gravitationnel est capable d'intriquer un photon qui passe avec la source même de la rotation — par exemple, un minuscule miroir.

Les ondes gravitationnelles sont les frémissements de l'espace lui-même, nés lors de la collision de trous noirs ou d'autres corps massifs.

Une photo en très haute résolution peut être agrandie longtemps — et soudain, un visage lisse se décompose en pixels individuels. Quelque chose d'analogue, selon une nouvelle étude, se produit avec l'espace-temps lui-même.

Un vieux réveil mécanique fait tic-tac sur l'étagère. Vous entendez le son régulier, vous voyez les aiguilles bouger — et vous êtes certain que le temps s'écoule. Mais si vous démontez l'horloge, vous ne trouverez à l'intérieur aucune pièce marquée « temps ». Seulement des ressorts et des engrenages.

Le monde quantique est connu pour ses incertitudes : par exemple, on ne peut pas mesurer simultanément la position d'une particule et sa vitesse. Cependant, une nouvelle étude montre que dans un espace-temps « flou », même la probabilité elle-même – la mesure du hasard – perd sa netteté.

L'espace-temps n'est pas une feuille plane, mais un tissu froissé : les étoiles et les planètes y laissent des plis. Dans chaque pli est inscrite de l'information, et pour l'effacer, il faudrait dégager de la chaleur — c'est ainsi que fonctionne le principe de Landauer.

Les équations fondamentales de la physique, comme l'équation de Wheeler–DeWitt, ne contiennent pas de temps. Passé et futur y sont enchevêtrés, comme les images d'une pellicule de cinéma sans indication du sens de défilement. Cette symétrie n'est pas un défaut, mais une propriété.

L'univers n'est pas un bloc monolithique, mais une toile tissée d'innombrables fils quantiques. La courbure de l'espace-temps ne s'écoule pas comme l'eau, elle vibre comme une tapisserie agitée par le vent. Longtemps, les physiciens n'ont vu que le motif d'ensemble, négligeant le tremblement des fils individuels.

Un café chaud posé sur la table refroidit : la chaleur se propage du centre chaud vers les bords. C'est à peu près ce que font, selon les auteurs, l'univers lui-même – mais à l'échelle de milliards d'années-lumière.

Lorsque deux étoiles mortes entrent en collision dans une galaxie lointaine, deux messagers nous informent de l'événement : un frémissement de l'espace — l'onde gravitationnelle — et un éclat de lumière. Les deux messagers traversent l'Univers pour nous rejoindre, mais leurs chemins peuvent légèrement différer.

Une pierre tombe dans un puits, et le plouf nous parvient avec un délai. Quelque chose d'analogue se produit avec la lumière lorsqu'elle s'éloigne de la Terre : ses oscillations se raréfient, le rayon semble « fatigué ». C'est le décalage vers le rouge gravitationnel — un phénomène dont Einstein parlait il y a un siècle.

Jetez une pierre dans un étang — et des cercles se propageront à la surface. Lorsque la pierre coule, les vagues s'éloignent et s'estompent progressivement. Mais si l'on regarde au plus profond de l'espace-temps, on découvre qu'il ne fonctionne pas tout à fait ainsi.

L'holographie est l'idée que tout ce qui se passe à l'intérieur d'un volume peut être encodé sur sa frontière, comme une image sur un hologramme. En physique, cela aide à relier la gravité au monde quantique.