La science d’Interstellar – 4 – Eux, les êtres du bulk

Ce dossier se compose d’une série d’articles  autour du livre de Kip Thorne, The Science of Interstellar, qui explique le travail de l’astrophysicien sur le film de Christopher Nolan, Interstellar.

1 – Les trous de ver
2 – Le trou noir, Gargantua
3 – Le tesseract
4 – Eux, les êtres du bulk
5 – Le cylindre O’Neill

Aujourd’hui, « Eux », les êtres du bulk.

Plusieurs fois le film fait référence à ces « êtres du bulk ». Souvent appelés sobrement « Eux » par Amelia Brand. Eux, qui auraient placés le trou de ver près de Saturne. Eux, qui seraient à l’origine du tesseract qui permet à Cooper de communiquer avec sa fille.

L’impasse de la physique actuelle

Avant d’évoquer les membranes, le bulk et la théorie des cordes (on va rire, vous allez voir), faisons rapidement le point sur la physique actuelle. Le bilan est mitigé[i]. La physique quantique, qui régit le monde de l’infiniment petit (au niveau atomique) est incompatible avec la relativité générale, qui régit le monde de l’infiniment grand (le cosmos). Pourtant, indépendamment l’une de l’autre ces deux théories fonctionnent toutes deux à merveille et décrivent parfaitement le fonctionnement du monde. En plus d’être régulièrement confirmées par l’expérience. Quel est le problème, alors ? Certains objets ou phénomènes encore mystérieux, comme les trous noirs ou l’Univers primordial (juste après le Big Bang), sont concernés par les deux théories à la fois. Elles entrent toutes les deux en jeu. Et se contredisent. Rassurez-vous, votre réalité ne va pas s’en trouver bouleversée, puisque cette incompatibilité intervient uniquement à petite échelle, très petite échelle (et c’est un euphémisme), de l’ordre de la longueur de Planck, soit 10^-33 centimètres (un dixième de millionième de milliardième de milliardième de la taille d’un atome).

Les chercheurs sont donc depuis longtemps en quête d’une théorie unifiée, parfois un peu pompeusement appelée « théorie du tout », véritable Graal de la physique. Einstein a passé les trente dernières années de sa vie à la recherche d’une telle théorie, sans succès. Apparue dans les années 60, la théorie des cordes semble répondre aux attentes des chercheurs[ii]. Le physicien américain Brian Greene a consacré un excellent livre de vulgarisation sur le sujet, intitulé L’Univers Elégant. Il compare cette théorie à un superordinateur dont personne ne disposerait du mode d’emploi.

Il faudra certainement des dizaines, voire des centaines d’années avant que la théorie des cordes ne soit déployée et réellement comprise. […] Les mathématiques qui sous-tendent la théorie des cordes s’avèrent si compliquées que personne, à ce jour, ne sait quelles sont les équations qui régissent la théorie.

De quoi donner du fil à retordre aux futurs génies des décennies à venir.

Ok, cool mec, mais c’est quoi cette foutue théorie des cordes ?

Malheureusement, Kip Thorne n’aborde pas vraiment la chose dans son livre. Tout du moins, pas dans ses fondamentaux. C’est à la fois curieux, puisque le livre est pour le reste très complet, et dommage, puisqu’à ma connaissance Interstellar est le premier film hollywoodien qui aborde la théorie des cordes (pas directement toutefois puisqu’elle n’est jamais citée).

La théorie des cordes suppose que les particules élémentaires (c’est-à-dire celles qui ne sont pas composées de particules encore plus petites) qui façonnent notre monde matériel résultent de la vibration de cordes minuscules. Plus une corde vibre fort, plus la particule qui en résultera sera massive (d’après l’équivalence entre énergie et masse d’Einstein). Une image qui revient souvent dans les ouvrages de vulgarisation est celle du violon. Tout comme la corde de cet instrument produit toute une variété d’harmoniques  selon la manière dont elle est stimulée, la corde de notre fameuse théorie produit elle diverses particules (photons, électrons, etc.). Ainsi, comme l’écrit poétiquement le physicien Trinh Xuan Thuan dans son livre Désir d’infini,

Ces « cordes » chantent et vibrent autour de nous, et le monde n’est en somme qu’une vaste symphonie.

Pour fonctionner, cette théorie suppose l’existence de dimensions spatiales supplémentaires. Accrochez-vous : nous pourrions en fait vivre dans un univers à neuf dimensions spatiales ! Nous n’en voyons malheureusement que trois car les autres sont minuscules, enroulées sur elles-mêmes et donc invisibles à nos yeux… D’autres physiciens vont encore plus loin et évoquent jusqu’à vingt-cinq dimensions spatiales !

Il existe à ce jour cinq théories des cordes, qui font notamment varier le type de cordes et le nombre de dimensions. Unifiées, elles portent le nom de Théorie M (peut-être pour « membrane ») [iii]. Dans ce modèle cosmologique, notre univers tout entier serait contenu dans une membrane, qui elle-même serait contenue dans un hyper-espace appelé le bulk.

Nature des êtres du bulk

Si ces êtres du bulk existent, alors de quoi sont-ils faits ? Certainement pas d’atomes, comme nous, puisque les atomes, étant en trois dimensions, ne peuvent exister que dans un monde à trois dimensions spatiales, et non quatre. Cela vaut aussi pour les particules subatomiques, les champs électriques et magnétiques, en somme tout ce qui gouverne notre monde. Les physiciens pensent aujourd’hui que toutes ces forces et particules sont confinées dans notre membrane, à l’exception d’une seule : la gravité et la déformation de l’espace-temps que celle-ci provoque. Voilà la seule chose qui pourrait subsister dans le bulk. Evidemment, d’autres matières et d’autres forces pourraient s’y trouver, mais à ce jour nous ignorons leur nature. Il est possible de spéculer, et d’ailleurs les physiciens sp��culent (comme le professeur Brand sur son tableau), mais aucune expérience ou observation ne peut confirmer ces spéculations.

Il est en tout cas raisonnable de penser que si des forces ou de la matière existent au sein du bulk, nous ne serons jamais en mesure de les sentir ou de les voir. S’il vient à l’idée à un être du bulk de traverser notre membrane, pour passer un bonjour amical à votre mère-grand par exemple[iv], et bien cette pauvre vieille n’y verrait rien, et en aucun cas parce que sa vue a la fâcheuse tendance à baisser. Par contre, votre grand-mère pourrait sentir la gravité de cet être du bulk, et la façon dont celle-ci déforme l’espace-temps. Puisque, nous l’avons, la gravité est une force commune à notre membrane et au bulk.

Les êtres du bulk d’Interstellar

Tous les personnages d’Interstellar croient en l’existence des êtres du bulk, surnommés  le plus souvent « Eux ». Amelia Brand pense qu’ils ont placés le trou de ver près de Saturne volontairement, afin de permettre aux hommes de voyager bien au-delà des frontières de la Voie Lactée.

L’une des idées de Nolan est que les êtres du bulk sont en fait nos descendants, qui ont acquis la faculté de vivre dans une dimension supplémentaire. Cooper, dans le tesseract, suggère cette idée à TARS. Les êtres du bulk viennent à son secours, tout comme lui vient au secours de sa fille Murph. Le choix est laissé au spectateur de croire ou non en la véracité de cette assertion : aucune réponse claire n’est donnée.

Les anomalies gravitationnelles

Les anomalies gravitationnelles sont des événements qui ne répondent pas à notre compréhension actuelle des lois de l’Univers. Depuis les années 1850, les physiciens ont souvent tenté de les découvrir et de tâcher d’expliquer leurs causes, parce qu’une anomalie est susceptible de bouleverser nos conceptions, et d’initier une véritable révolution scientifique.

En 1859, l’astronome français Urbain Le Verrier découvre une anomalie dans l’orbite de Saturne. Se fondant sur les lois de Newton, il en déduit la présence d’une planète encore plus proche du Soleil que Mercure, et qui exerce une force gravitationnelle sur celle-ci ; il la baptise Vulcan. Mais cette planète, évidemment, n’existe pas : c’est donc que quelque part, les lois de Newton sont fausses ou incomplètes. Il faudra attendre la théorie de la relativité d’Einstein  pour comprendre à quoi était due cette anomalie.

En 1933, l’astrophysicien Fritz Zwicky annonce avoir découvert une énorme anomalie dans un amas de galaxie appelé Coma et situé à 300 millions d’années-lumière de la Terre. Les galaxies se déplaçaient si rapidement que leur force gravitationnelle ne devait normalement pas leur permettre de rester ensemble dans le même amas. Ainsi fut découverte la fameuse matière noire, dont la gravité est assez forte pour retenir ces galaxies les unes aux autres. Matière hypothétique, invisible et qui pourtant composerait environ un quart de la densité d’énergie de notre Univers…

En 1998, deux groupes de chercheurs découvrent une anomalie dans l’expansion de notre Univers. Cette expansion semble s’accélérer dans le temps. L’Univers grossit de plus en plus. Or cette expansion devait normalement diminuer, car tous les objets de l’Univers s’attirent les uns vers les autres avec la gravité. Deux solutions : ou bien les lois d’Einstein sont erronées quelque part, ou bien une autre énergie exerce sa force gravitationnelle. Ainsi fut découverte la mystérieuse énergie noire. Rendez-vous compte : 67% de la masse de l’Univers est cette énergie noire, 27% de la matière sombre, et 5% la matière qui compose tout ce que nous voyons, tout ce dont nous sommes faits, nous, les hommes, les étoiles et les galaxies.

Ces trois exemples illustrent l’idée que l’anomalie chamboule l’idée que nous nous faisons de ce qui est vrai et de ce qui est faux, et qu’elle est à l’origine de plusieurs révolutions scientifiques.

Les anomalies d’Interstellar sont un peu différentes, car elles sont visibles sur la Terre. Elles sont apparues, d’après Amelia Brand, environ cinquante ans avant le début du film. Cooper en a été victime plusieurs fois, comme il le raconte à Romilly dans l’introduction (quelque chose a modifié la commande de vol électrique de son Ranger), puis lorsque le système GPS de ses moissonneuses-batteuses se dérègle. Sa fille, Murph, interprète les anomalies gravitationnelles de sa chambre (la poussière sur le sol, les livres qui tombent) comme les agissements d’un fantôme.

L’équation du professeur Brand

Trouver la cause de ces anomalies gravitationnelles revêt une importance primordiale. D’abord pour révolutionner la physique, donc, et ensuite parce que contrôler ces anomalies pourrait permettre à la NASA d’envoyer dans l’Espace des colonies d’êtres humains pour trouver un nouveau refuge loin de la Terre mourante. La clé pour comprendre ces anomalies est une équation qu’il tente de résoudre avec sa fille Murph.

D’après Thorne, le professeur Brand est vite convaincu que la source de ces anomalies est la gravité venant de la cinquième dimension, du bulk. Et ce pour une raison simple : puisque rien n’a changé dans notre monde, dans notre membrane, alors quelque chose  changé dans un autre monde, le bulk, et nous en ressentons les effets gravitationnels (la gravité étant la seule force à même de passer du bulk vers notre membrane). Ces anomalies du bulk, peut-être provoquées volontairement par « Eux » permettent d’éviter au trou de ver de se refermer, et d’éviter à notre monde d’être détruit par collision avec d’autres membranes. Ce sont là les spéculations du professeur, qui tendent à confirmer l’existence du bulk.

Résoudre l’équation signifie comprendre comment se produisent ces anomalies, puis en déduire comment les contrôler. Malheureusement, comme le professeur Brand le confie à Murph sur son lit de mort, il n’a jamais cru pouvoir résoudre cette équation. Comme le découvrira peu après Murph, en réalité Brand disposait de la moitié de la solution seulement ; l’autre moitié se trouvant dans un trou noir. Cooper, depuis le tesseract, transmettra à sa fille, grâce à des anomalies gravitationnelles, les données nécessaires pour résoudre l’équation.  La boucle est bouclée.

[i] https://www.youtube.com/watch?v=8mSed9Du0kU
[ii] http://www.cafardcosmique.com/La-theorie-des-supercordes
[iii] http://www.astrosurf.com/luxorion/univers-11dimensions.htm
[iv] Si par malheur votre chère mère-grand n’est plus de ce monde, prière d’oublier cet exemple honteux, et la substituer par un autre membre de votre famille. Si famille il n’y a pas, prière de ne pas m’en tenir rigueur et de la substituer par un animal ou un ami imaginaire.