Matière noire, le poids de l’info?

En ces temps où le côté sombre de la farce a résolument obscurci nos horizons, rien ne vaut un petit détour par la matière noire pour se détendre. Souvent citée sur ce blog, mais jamais rencontrée, cette matière noire sans particule est un peu comme une noblesse déchue, un footballeur espagnol Don Quichotte chargeant un moulin relativiste sur lequel plus d’un physicien se pencha pourtant.

L’hypothèse présentée ici est à la jonction de deux mondes: d’une part la recherche sur la nature de la matière noire, de l’autre celle sur la nature de l’information, les deux se rejoignant grâce au principe de l’Univers holographique avec pour objectif: démontrer que la matière noire représenterait en fait la masse, au sens physique du terme, de l’information générée par l’Univers.

Prenons les choses dans l’ordre, en commençant par le plus simple.

Matière noire, un (très) bref résumé.

Je ne vais pas refaire ici l’histoire de la matière noire, juste la résumer très brièvement: suite aux premières observations, datant des années 60, du mouvement des galaxies dont les caractéristiques n’étaient pas compatibles avec le modèle gravitationnel (newtonien) standard, on inventa l’idée qu’une masse inconnue et invisible agissait sur ces galaxies, une forme de matière différente de la matière « normale » dont le seul effet mesurable en était l’effet gravitationnel.

On l’appela matière noire (dark matter), on calcula qu’elle devait correspondre à quelques 27% de la masse totale de l’univers (contre seulement 5% pour notre matière normale ou « baryonique », le solde étant attribué à l’énergie noire), et on développa plusieurs théories et expériences de physique pour en identifier la nature exacte.

On rechercha (et on recherche encore) sa source dans des objets supermassifs dits MACHOs (Massive Compact Halo Objects) genre trous noirs et étoiles à neutrons. On tente de trouver, grâce notamment au LHC du CERN, une particule avec les caractéristiques requises: WIMPS (Weakly Interacting Massive particles), neutrinos, axions et autres photinos (1).

Rien de vraiment solide n’en ressort, d’où des hypothèses « alternatives » telle la gravité entropique (2), la masse négative (3),un univers miroir dont la matière noire serait le signe (4), ou encore une version du modèle cosmologique sans matière noire du tout (MOND, pour MOdified Newtonian Dynamics) (5). Toutes choses donnant lieu à de passionnantes conjectures que les lecteurs et lectrices de ce blog côtoient à leurs risques et périls.

La relation entre information et entropie.

Sauf pour les lecteurs de Paris-Match, l’idée que l’information puisse peser quelque chose ne fait pas partie des évidences quotidiennes. Et pourtant, la physique a démontré depuis pas mal de temps l’existence d’un lien entre l’information et la thermodynamique: le Principe de Landauer (6) date des années 60, et stipule que:

N’importe quelle manipulation logique irréversible d’information, telle que l’effacement d’un bit ou la fusion de deux voies de calcul, est accompagnée d’une augmentation de l’entropie en degrés de liberté non-informationnels de l’appareil de traitement de l’information ou de son environnement.

https://fr.wikipedia.org/wiki/Principe_de_Landauer

Ceci est important à comprendre: le fait d’effacer une mémoire, ou un élément (bit, dans le contexte numérique) a pour effet de réduire la complexité de l’ensemble (« rien » étant moins complexe que « quelque chose »), menant à une diminution de l’entropie (l’entropie mesure le degré de désordre: plus un système est ordonné, moins il a d’entropie).

Or les lois de la thermodynamique interdisent toute diminution de l’entropie globale, cad de l’Univers, ce qui implique que toute réduction de l’entropie locale liée à l’information (notre mémoire remise à zéro) doit être compensée par une augmentation, ailleurs, de l’entropie, sous une forme non-informationnelle, généralement par une production de chaleur.

Jusque là rien de bien neuf, ce principe d’un lien entre information et réalité physique ayant même été récemment validé dans le cadre de bits quantiques (7). La nouveauté, c’est le possible lien entre information et masse, un bit possédant, pour une température donnée, une masse fixe et potentiellement mesurable.

La relation entre information et masse.

Arrive donc le Dr Melvin Vopson (8), professeur de physique et de la théorie de l’information à l’Université de Portsmouth au Royaume-Uni, qui fait la proposition suivante: la création, ou l’effacement, de tout bit d’information requiert une quantité minimale d’énergie, mais une fois ce bit créé, son basculement entre l’état 0 et 1 se fait sans dissipation car il n’y a plus, alors, de création ni de perte d’information, juste une modification d’une information existante.

Ce basculement entre l’état 0 et l’état 1 est comparable (métaphoriquement) au mouvement d’une balance qui, selon que le poids se trouve d’un côté ou de l’autre, bascule en conséquence. Tant que l’on enlève pas le poids de la balance, il n’y a pas d’énergie à ajouter ou retirer du système, pas d’impact sur l’entropie. L’information (0 ou 1) perdure donc sans apport énergétique, ne s’évapore pas, ce pour une raison simple: elle a une masse.

Une masse calculable, et en principe mesurable, selon le modèle présenté par Melvin Vopson dans sa publication « The mass-energy-information equivalence principle » (9). La masse d’un bit serait alors de l’ordre 2,91 x 10-40 Kg pour une température de 2,73K (soit – 270°C), ce que l’on estime être la température moyenne de l’Univers dans son état actuel.

Ce bit ne pèse pas grand-chose, mais c’est du lourd quand même car cette hypothèse, si elle se trouvait validée par l’expérimentation, reviendrait à découvrir un cinquième état de la matière. Après les états solide, liquide, gazeux, et plasma (10), nous serions face à un cinquième état, l’état informationnel. Chaque élément d’information existerait physiquement et aurait une masse, et qui dit masse dit effet gravitationnel.

Le lien holographique.

Nous avons donc, d’un côté, un mystérieux effet gravitationnel nommé matière noire, et de l’autre un candidat sous la forme d’un poids donné à l’information existant au sein de l’Univers, mais qu’est ce qui permettrait de faire un lien causal entre ces deux éléments?

Il fait alors replonger dans la théorie de l’Univers holographique, chose précédemment faite sur ce blog via, notamment, l’article « L’univers, l’hologramme et nous » (11) ou, plus récemment « L’Univers holographique, suite mais mas fin » (12).

Pour résumer le tout en une phrase, le principe holographique de l’Univers dit que toute l’information caractérisant cet Univers est contenu non pas dans son volume intérieur, mais sur sa surface, et que ce que nous percevons comme une réalité en trois dimensions + temps n’est que la projection holographique de cette information 2D.

Le principe holographique, pour rappel, fut découvert dans les années 40 (13) et est basé sur la projection 3D d’une image 2D, plus précisément un motif interférentiel – et revoilà la physique quantique, mais hors sujet pour cet article déjà assez compliqué.

Quelle information? Partant de la taille minimale possible d’un élément physique, dite longueur de Planck, il a été estimé (par Paul Gough en 2008) que le nombre de bits d’information susceptible de couvrir la surface de l’Univers, tel que nous pouvons le mesurer, serait de l’ordre de 1087 (14).

L’équivalence entre information et matière noire.

Selon les calculs de Vopson, la masse de l’ensemble de la matière noire correspondrait à un nombre de bits de grandeur comparable, à savoir 1093 obtenu en divisant simplement la masse totale de matière noire par la masse du bit.

Il nous faut donc appréhender deux nouveautés fondamentales: d’une part un bit d’information aurait une masse, et l’information devrait donc être perçue comme un des états de la matière, au même titre que le solide ou le liquide. D’autre part, la masse totale des bits d’information décrivant notre univers, est suffisamment proche de la masse totale de la matière noire pour qu’il puisse exister un lien causal.

En d’autres termes, ceci propose que la matière noire ne serait rien d’autre que l’effet gravitationnel associé à la masse totale de cette information.

Au-delà de cette possible explication de la nature de la matière noire, l’idée que l’information aurait une masse a certaines conséquences sur la production et la gestion de l’information au sein d’une société développée. Nous y reviendrons, mais une fois l’information contenue dans ma bouteille de whisky rendue à son niveau de masse minimale. Tchin.

Liens et sources:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6) https://fr.wikipedia.org/wiki/Principe_de_Landauer

(7) https://physics.aps.org/articles/v11/49

(8) https://www.port.ac.uk/about-us/structure-and-governance/our-people/our-staff/melvin-vopson

(9) https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.5123794

(10) https://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89tat_de_la_mati%C3%A8re

(11)

(12)

(13) https://fr.wikipedia.org/wiki/Hologramme

(14) https://www.mdpi.com/1099-4300/10/3/150

A propos Vincent Verschoore

Animateur de Ze Rhubarbe Blog depuis 2008.

3 réponses

  1. Intéressant la relation entre l’information et la masse noire. Avec mon niveau de connaissance, c’est tout de même un peu compliqué à suivre. J’ai quelques trains de retard sur le sujet.

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