En cinq minutes : qu'est-ce qu'un trou de ver ?
Un trou de ver est un tunnel théorique à travers l'espace-temps qui relierait deux régions éloignées et, dans certaines versions, deux moments différents. Imaginez une fourmi sur une feuille de papier. Pour atteindre un point de l'autre côté, elle doit traverser toute la page. Pliez maintenant la feuille pour que les deux points se touchent presque, et reliez-les par un petit tube : le trajet devient minuscule. Un trou de ver, c'est ce tube, sauf que la feuille de papier est l'espace lui-même.
Deux choses sont vraies en même temps. La relativité générale, la théorie de la gravitation d'Einstein, admet sur le papier des solutions en forme de trou de ver. Et personne n'a jamais observé de trou de ver ni trouvé le moyen d'en fabriquer un. Gardez ces deux faits en tête et le reste de cette page s'éclaire. Pour voir comment l'idée a voyagé à travers le genre, elle s'inscrit dans notre Histoire de la science-fiction.
L'idée : un espace qui se courbe et se connecte
La relativité générale affirme que la masse et l'énergie courbent l'espace-temps, et que cette courbure est ce que nous ressentons comme la gravité. En principe, cette courbure peut prendre des formes étranges. Un trou de ver aurait deux ouvertures, appelées bouches, reliées par un passage étroit, la gorge. Si vous entriez par une bouche, vous ressortiriez par l'autre, peut-être à des années-lumière, sans avoir traversé l'espace intermédiaire.
Les bouches ne ressembleraient pas à des portes dans un mur. Chacune aurait l'aspect d'une boule. Comme la lumière se courbe autour d'elle, la boule montrerait le ciel tel qu'on le voit depuis l'autre extrémité, étiré et déformé comme à travers une sphère de verre.
Les physiciens dessinent souvent un trou de ver comme une surface courbe formée de deux entonnoirs joints par leur extrémité étroite. C'est un diagramme de plongement. C'est un outil pédagogique qui écrase l'espace en trois dimensions sur une image à deux dimensions. Il ne signifie pas qu'il existerait une direction supplémentaire cachée que l'on pourrait désigner du doigt.
D'où vient l'idée
Les premiers indices sont plus anciens que le nom. En 1916, le physicien autrichien Ludwig Flamm étudie la géométrie de la solution la plus simple d'un trou noir et constate qu'on peut la lire comme deux régions de l'espace reliées entre elles. En 1935, Albert Einstein et Nathan Rosen utilisent une géométrie semblable dans un article qui tente de modéliser les particules élémentaires comme des ponts lisses dans l'espace. Ces « ponts d'Einstein-Rosen » n'ont jamais été conçus comme un moyen de voyager.
Le mot « trou de ver » (wormhole en anglais) vient du physicien américain John Archibald Wheeler, qui l'emploie à la fin des années 1950 en réfléchissant à la structure de l'espace aux plus petites échelles. L'image est celle d'un ver qui creuse une galerie dans une pomme : pour le ver, ce tunnel est un raccourci d'un côté du fruit à l'autre.
En 1962, Wheeler et Robert Fuller mettent en évidence un problème. Le pont de la solution de trou noir la plus simple se resserre si vite que même un rayon de lumière ne peut le traverser avant qu'il ne se referme. Le pont est donc dans les équations, mais rien ne peut l'emprunter.
La science réelle : ce qu'on sait et ce qu'on suppose
Ce qui est établi : la relativité générale a réussi tous les tests auxquels on l'a soumise, et ses équations autorisent bien des géométries de trou de ver. Ce qui relève de la spéculation : qu'un trou de ver existe dans la nature, ou qu'on puisse un jour en fabriquer un.
La version moderne de la question est née de la fiction. Au milieu des années 1980, Carl Sagan écrit le roman Contact et cherche un moyen pour ses personnages de traverser la galaxie sans trop violer la physique. Il interroge le physicien Kip Thorne. Thorne et son étudiant Michael Morris font les calculs et publient le résultat en 1988 dans l'American Journal of Physics. Leur trou de ver était un plan de passage qu'un voyageur pourrait survivre à traverser.
Le hic, c'est ce qui maintient la gorge ouverte. La matière ordinaire fait attirer la gravité vers l'intérieur, ce qui ferait s'effondrer la gorge. Pour la garder ouverte, il faut ce que les physiciens appellent de la matière exotique, de densité d'énergie négative, qui repousse vers l'extérieur. Personne n'a trouvé le moindre morceau d'une telle matière.
L'énergie négative n'est pourtant pas de la pure fantaisie. L'effet Casimir, mesuré en laboratoire, montre que l'énergie entre deux plaques métalliques non chargées placées très près l'une de l'autre est légèrement inférieure à celle du vide extérieur. Mais les quantités sont infimes et n'existent que dans de minuscules interstices. Aucune méthode connue ne permet de rassembler assez d'énergie négative pour maintenir ouverte une gorge assez large pour un vaisseau. La stabilité est un second problème : une petite perturbation pourrait suffire à faire s'effondrer la gorge.
Des travaux plus récents s'intéressent aux effets quantiques. En 2013, Juan Maldacena et Leonard Susskind avancent une idée audacieuse connue sous le nom d'ER=EPR : deux particules intriquées pourraient être reliées par un trou de ver extrêmement petit. C'est une proposition de physique théorique, qui n'a pas été testée. En 2017, Ping Gao, Daniel Jafferis et Aron Wall montrent que, dans un cadre mathématique particulier, les effets quantiques peuvent rendre un trou de ver traversable. En 2022, une équipe utilisant un processeur quantique de Google annonce la simulation d'un comportement de type trou de ver dans un petit système modèle, publiée dans Nature. Il s'agissait d'un calcul sur un ordinateur quantique, non d'un tunnel dans l'espace, et d'autres physiciens ont débattu de la portée de ce résultat.
En résumé : aucun trou de ver n'a été observé, et aucune technologie connue ne pourrait en créer un.
Trous de ver et voyage dans le temps
Si un trou de ver pouvait être traversé, il pourrait aussi permettre de voyager dans le temps. En 1988, Michael Morris, Kip Thorne et Ulvi Yurtsever décrivent comment cela fonctionnerait. Déplacez une bouche à très grande vitesse pendant que l'autre reste immobile : les deux extrémités ne s'accorderaient plus sur l'heure. En entrant par l'une, on pourrait ressortir dans le passé.
Cela soulève les paradoxes bien connus sur la modification de l'histoire. En 1992, Stephen Hawking propose la conjecture de protection chronologique, selon laquelle les lois de la physique empêcheraient d'une manière ou d'une autre la formation de telles machines à voyager dans le temps. Elle n'a été ni prouvée ni réfutée. Pour l'instant, les trous de ver temporels restent une expérience de pensée servant à éprouver la théorie.
Le trou de ver dans la fiction
Les auteurs ont adopté le trou de ver parce qu'il résout un problème d'intrigue : comment traverser la galaxie dans le temps dont dispose un récit. Dans le roman Contact (1985) de Carl Sagan, un message venu de l'espace s'accompagne des plans d'une machine, et les voyageurs empruntent une chaîne de tunnels à travers l'espace pour franchir d'immenses distances. Ce livre est la raison pour laquelle Thorne a fait le calcul évoqué plus haut.
Dans La Guerre éternelle (1974) de Joe Haldeman, une idée voisine est utilisée : les vaisseaux sautent d'étoile en étoile via des étoiles effondrées, et chaque voyage coûte aux soldats des années sur Terre. La bouche d'un raccourci et le prix à payer pour l'utiliser font tous deux partie du drame. Les lecteurs de 2001 : l'Odyssée de l'espace d'Arthur C. Clarke comparent souvent la Porte des étoiles du livre à un trou de ver, même si le récit reste plus mystérieux sur son fonctionnement.
Au cinéma, Interstellar (2014) en est l'exemple le plus connu. Kip Thorne a conseillé l'équipe sur la science, et le film montre son trou de ver comme une sphère qui renferme une vue déformée d'une autre partie du ciel, ce qui correspond à ce que prédisent les équations.
Une autre façon de vaincre la distance, qui évite le tunnel et déplace le vaisseau à travers un espace courbé, est présentée dans l'article sur le moteur à distorsion.
Idées reçues
- « Un trou noir est un trou de ver. » Non. Un vrai trou noir formé par l'effondrement d'une étoile n'a aucune sortie connue. Le pont de la solution mathématique la plus simple se referme trop vite pour être traversé.
- « Un pont d'Einstein-Rosen est une route pour voyager. » C'était un modèle de particule, et des travaux ultérieurs ont montré que rien ne peut le traverser.
- « Les astronomes en ont vu un. » Non. Les images de trous noirs, comme celle de 2019 du trou noir de la galaxie M87, montrent des trous noirs, pas des trous de ver.
- « Un trou de ver est plus rapide que la lumière. » La lumière y garde partout sa vitesse normale. Le trou de ver raccourcit le trajet, ce qui est différent.
- « Google a construit un trou de ver. » L'expérience de 2022 a simulé un comportement de type trou de ver sur une puce quantique. Aucun tunnel n'a été ouvert dans l'espace.
À lire ensuite
- Moteur à distorsion : une autre manière de franchir rapidement les étoiles, en déplaçant l'espace autour du vaisseau au lieu de creuser un tunnel.
- Multivers : l'idée de multiples univers, que les auteurs relient parfois à l'autre bout d'un trou de ver.
- Histoire de la science-fiction : comment des idées de ce genre sont passées des articles de physique aux récits.
