physique fondamentale

La "problèmatique de la mesure" en théorie quantique pourrait être une pilule empoisonnée pour la réalité objective

La résolution d'un problème quantique notoire pourrait nécessiter l'abandon de certaines des hypothèses les plus chères à la science concernant le monde physique.

Imaginez qu'un physicien observe un système quantique dont le comportement s'apparente à celui d'une pièce de monnaie : qui peut tomber sur pile ou face. Il effectue le jeu de pile ou face quantique et obtient pile. Pourrait-il être certain que son résultat est un fait objectif, absolu et indiscutable sur le monde ? Si la pièce était simplement du type de celles que nous voyons dans notre expérience quotidienne, le résultat du lancer serait le même pour tout le monde : pile ou face ! Mais comme pour la plupart des choses en physique quantique, le résultat d'un jeu de pile ou face quantique serait un "ça dépend" beaucoup plus compliqué. Il existe des scénarios théoriquement plausibles dans lesquels un autre observateur pourrait trouver que le résultat de la pièce de notre physicien est pile ou face.

Au cœur de cette bizarrerie se trouve ce que l'on appelle le problème de la mesure. La mécanique quantique standard rend compte de ce qui se passe lorsque l'on mesure un système quantique : en substance, la mesure provoque l'"effondrement" aléatoire des multiples états possibles du système en un seul état défini. Mais cette comptabilité ne définit pas ce qui constitue une mesure, d'où le problème de la mesure.

Les tentatives visant à éviter le problème de la mesure, par exemple en envisageant une réalité dans laquelle les états quantiques ne s'effondrent pas du tout, ont conduit les physiciens sur un terrain étrange où les résultats des mesures peuvent être subjectifs. "L'un des principaux aspects du problème de la mesure est l'idée que les événements observés ne sont pas absolus", explique Nicholas Ormrod, de l'université d'Oxford. En bref, c'est la raison pour laquelle notre pile ou face quantique imaginaire pourrait être pile d'un point de vue et face d'un autre.

Mais ce scénario apparemment problématique est-il physiquement plausible ou s'agit-il simplement d'un artefact de notre compréhension incomplète du monde quantique ? Pour répondre à ces questions, il faut mieux comprendre les théories dans lesquelles le problème de la mesure peut se poser. C'est exactement ce qu'Ormrod, Vilasini Venkatesh de l'École polytechnique fédérale de Zurich et Jonathan Barrett d'Oxford ont réussi à faire. Dans une prépublication récente, le trio a prouvé un théorème qui montre pourquoi certaines théories, comme la mécanique quantique, ont un problème de mesure en premier lieu et comment on pourrait développer des théories alternatives pour l'éviter, préservant ainsi l'"absoluité" de tout événement observé. De telles théories banniraient, par exemple, la possibilité qu'une pièce de monnaie soit tirée à pile ou face par un observateur et qu'elle soit tirée à pile ou face par un autre.

Mais leurs travaux montrent également que la préservation d'un tel caractère absolu a un coût que de nombreux physiciens jugeraient prohibitif. "C'est la démonstration qu'il n'existe pas de solution indolore à ce problème", explique M. Ormrod. "Si nous parvenons un jour à retrouver l'absoluité, nous devrons alors renoncer à certains principes physiques qui nous tiennent vraiment à cœur".

 L'article d'Ormrod, Venkatesh et Barrett "aborde la question de savoir quelles catégories de théories sont incompatibles avec l'absoluité des événements observés et si l'absoluité peut être maintenue dans certaines théories, en même temps que d'autres propriétés souhaitables", explique Eric Cavalcanti, de l'université Griffith, en Australie. (M. Cavalcanti, le physicien Howard Wiseman et leurs collègues ont défini le terme "absoluité des événements observés" dans des travaux antérieurs qui ont jeté les bases de l'étude d'Ormrod, Venkatesh et Barrett).

S'en tenir à l'absoluité des événements observés pourrait signifier que le monde quantique est encore plus étrange que ce que nous savons.

LE CŒUR DU PROBLÈME

Pour comprendre ce qu'Ormrod, Venkatesh et Barrett ont réalisé, il faut suivre un cours accéléré sur les arcanes des fondations quantiques. Commençons par considérer notre système quantique hypothétique qui, lorsqu'il est observé, peut donner soit pile, soit face.

Dans les manuels de théorie quantique, avant l'effondrement, on dit que le système se trouve dans une superposition de deux états, et cet état quantique est décrit par une construction mathématique appelée fonction d'onde, qui évolue dans le temps et l'espace. Cette évolution est à la fois déterministe et réversible : étant donné une fonction d'onde initiale, on peut prédire ce qu'elle sera à un moment donné, et on peut en principe remonter l'évolution pour retrouver l'état antérieur. La mesure de la fonction d'onde entraîne cependant son effondrement, mathématiquement parlant, de sorte que le système de notre exemple apparaît comme étant soit pile, soit face.

Ce processus d'effondrement est la source obscure du problème de la mesure : il s'agit d'une affaire irréversible et unique, et personne ne sait même ce qui définit le processus ou les limites de la mesure. Qu'est-ce qu'une "mesure" ou, d'ailleurs, un "observateur" ? Ces deux éléments ont-ils des contraintes physiques, telles que des tailles minimales ou maximales ? Doivent-ils également être soumis à divers effets quantiques difficiles à saisir, ou peuvent-ils être considérés comme immunisés contre de telles complications ? Aucune de ces questions n'a de réponse facile et acceptée, mais les théoriciens ne manquent pas de solutions.

Étant donné le système de l'exemple, un modèle qui préserve l'absoluité de l'événement observé - c'est-à-dire que c'est soit pile, soit face pour tous les observateurs - est la théorie de Ghirardi-Rimini-Weber (GRW). Selon cette théorie, les systèmes quantiques peuvent exister dans une superposition d'états jusqu'à ce qu'ils atteignent une taille encore indéterminée, à partir de laquelle la superposition s'effondre spontanément et aléatoirement, indépendamment de l'observateur. Quel que soit le résultat - pile ou face dans notre exemple - il sera valable pour tous les observateurs.

Mais la théorie GRW, qui appartient à une catégorie plus large de théories de "l'effondrement spontané", semble aller à l'encontre d'un principe physique chéri depuis longtemps : la préservation de l'information. Tout comme un livre brûlé pourrait, en principe, être lu en réassemblant ses pages à partir de ses cendres (en ignorant l'émission initiale de rayonnement thermique du livre brûlé, pour des raisons de simplicité), la préservation de l'information implique que l'évolution d'un système quantique dans le temps permette de connaître ses états antérieurs. En postulant un effondrement aléatoire, la théorie GRW détruit la possibilité de savoir ce qui a conduit à l'état d'effondrement, ce qui, selon la plupart des témoignages, signifie que l'information sur le système avant sa transformation est irrémédiablement perdue. "La théorie GRW serait un modèle qui renonce à la préservation de l'information, préservant ainsi l'absoluité des événements", explique M. Venkatesh.

Un contre-exemple qui autorise la non-absoluité des événements observés est l'interprétation de la mécanique quantique selon le principe des "mondes multiples". Selon cette interprétation, la fonction d'onde de notre exemple se ramifiera en de multiples réalités contemporaines, de sorte que dans un "monde", le système sortira pile, tandis que dans un autre, il sortira face. Dans cette conception, il n'y a pas d'effondrement. "La question de savoir ce qui se passe n'est donc pas absolue ; elle est relative à un monde", explique M. Ormrod. Bien entendu, en essayant d'éviter le problème de mesure induit par l'effondrement, l'interprétation des mondes multiples introduit la ramification abrutissante des fonctions d'onde et la prolifération galopante des mondes à chaque bifurcation de la route quantique - un scénario désagréable pour beaucoup.

Néanmoins, l'interprétation des mondes multiples est un exemple de ce que l'on appelle les théories perspectivistes, dans lesquelles le résultat d'une mesure dépend du point de vue de l'observateur.

ASPECTS CRUCIAUX DE LA RÉALITÉ

Pour prouver leur théorème sans s'embourber dans une théorie ou une interprétation particulière, mécanique quantique ou autre, Ormrod, Venkatesh et Barrett se sont concentrés sur les théories perspectivistes qui obéissent à trois propriétés importantes. Une fois encore, il nous faut un peu de courage pour saisir l'importance de ces propriétés et pour apprécier le résultat plutôt profond de la preuve des chercheurs.

La première propriété est appelée nonlocalité de Bell (B). Elle fut identifiée pour la première fois en 1964 par le physicien John Bell dans un théorème éponyme et s'est avérée être un fait empirique incontesté de notre réalité physique. Supposons qu'Alice et Bob aient chacun accès à l'une des deux particules décrites par un état unique. Alice et Bob effectuent des mesures individuelles de leurs particules respectives et le font pour un certain nombre de paires de particules préparées de manière similaire. Alice choisit son type de mesure librement et indépendamment de Bob, et vice versa. Le fait qu'Alice et Bob choisissent leurs paramètres de mesure de leur plein gré est une hypothèse importante. Ensuite, lorsqu'ils compareront leurs résultats, le duo constatera que les résultats de leurs mesures sont corrélés d'une manière qui implique que les états des deux particules sont inséparables : connaître l'état de l'une permet de connaître l'état de l'autre. Les théories capables d'expliquer de telles corrélations sont dites non locales de Bell.

La deuxième propriété est la préservation de l'information (I). Les systèmes quantiques qui présentent une évolution déterministe et réversible satisfont à cette condition. Mais la condition est plus générale. Imaginez que vous portiez aujourd'hui un pull-over vert. Dans une théorie préservant l'information, il devrait toujours être possible, en principe, de retrouver la couleur de votre pull dans dix ans, même si personne ne vous a vu le porter. Mais "si le monde ne préserve pas l'information, il se peut que dans 10 ans, il n'y ait tout simplement aucun moyen de savoir de quelle couleur était le pull que je portais", explique M. Ormrod.

La troisième est une propriété appelée dynamique locale (L). Considérons deux événements dans deux régions de l'espace-temps. S'il existe un cadre de référence dans lequel les deux événements semblent simultanés, on dit que les régions de l'espace sont "séparées comme dans l'espace". La dynamique locale implique que la transformation d'un système dans l'une de ces régions ne peut affecter causalement la transformation d'un système dans l'autre région à une vitesse supérieure à celle de la lumière, et vice versa, une transformation étant toute opération qui prend un ensemble d'états d'entrée et produit un ensemble d'états de sortie. Chaque sous-système subit sa propre transformation, de même que le système dans son ensemble. Si la dynamique est locale, la transformation du système complet peut être décomposée en transformations de ses parties individuelles : la dynamique est dite séparable. "La [contrainte] de la dynamique locale permet de s'assurer que l'on ne simule pas Bell [la non-localité]", explique M. Venkatesh.

Dans la théorie quantique, les transformations peuvent être décomposées en leurs éléments constitutifs. "La théorie quantique est donc dynamiquement séparable", explique M. Ormrod. En revanche, lorsque deux particules partagent un état non local de Bell (c'est-à-dire lorsque deux particules sont intriquées, selon la théorie quantique), on dit que l'état est inséparable des états individuels des deux particules. Si les transformations se comportaient de la même manière, c'est-à-dire si la transformation globale ne pouvait pas être décrite en termes de transformations de sous-systèmes individuels, alors le système entier serait dynamiquement inséparable.

Tous les éléments sont réunis pour comprendre le résultat du trio. Le travail d'Ormrod, Venkatesh et Barrett se résume à une analyse sophistiquée de la manière dont les théories "BIL" (celles qui satisfont aux trois propriétés susmentionnées) traitent une expérience de pensée faussement simple. Imaginons qu'Alice et Bob, chacun dans son propre laboratoire, effectuent une mesure sur l'une des deux particules. Alice et Bob effectuent chacun une mesure, et tous deux effectuent exactement la même mesure. Par exemple, ils peuvent tous deux mesurer le spin de leur particule dans le sens haut-bas.

Charlie et Daniela observent Alice et Bob et leurs laboratoires de l'extérieur. En principe, Charlie et Daniela devraient pouvoir mesurer le spin des mêmes particules, par exemple dans le sens gauche-droite. Dans une théorie préservant l'information, cela devrait être possible.

Prenons l'exemple spécifique de ce qui pourrait se produire dans la théorie quantique standard. Charlie, par exemple, considère Alice, son laboratoire et la mesure qu'elle effectue comme un système soumis à une évolution déterministe et réversible. En supposant qu'il contrôle totalement le système dans son ensemble, Charlie peut inverser le processus de manière à ce que la particule revienne à son état d'origine (comme un livre brûlé qui serait reconstitué à partir de ses cendres). Daniela fait de même avec Bob et son laboratoire. Charlie et Daniela effectuent maintenant chacun une mesure différente sur leurs particules respectives dans le sens gauche-droite.

En utilisant ce scénario, l'équipe a prouvé que les prédictions de toute théorie de la BIL pour les résultats des mesures des quatre observateurs contredisent le caractère absolu des événements observés. En d'autres termes, "toutes les théories de la BIL ont un problème de mesure", explique M. Ormrod.

CHOISISSEZ VOTRE POISON

Les physiciens se trouvent donc dans une impasse désagréable : soit ils acceptent le caractère non absolu des événements observés, soit ils renoncent à l'une des hypothèses de la théorie de la BIL.

Venkatesh pense qu'il y a quelque chose de convaincant dans le fait de renoncer à l'absoluité des événements observés. Après tout, dit-elle, la physique a réussi à passer d'un cadre newtonien rigide à une description einsteinienne de la réalité, plus nuancée et plus fluide. "Nous avons dû ajuster certaines notions de ce que nous pensions être absolu. Pour Newton, l'espace et le temps étaient absolus", explique M. Venkatesh. Mais dans la conception de l'univers d'Albert Einstein, l'espace et le temps ne font qu'un, et cet espace-temps unique n'est pas quelque chose d'absolu mais peut se déformer d'une manière qui ne correspond pas au mode de pensée newtonien.

D'autre part, une théorie perspectiviste qui dépend des observateurs crée ses propres problèmes. En particulier, comment peut-on faire de la science dans les limites d'une théorie où deux observateurs ne peuvent pas se mettre d'accord sur les résultats des mesures ? "Il n'est pas évident que la science puisse fonctionner comme elle est censée le faire si nous ne parvenons pas à des prédictions pour des événements observés que nous considérons comme absolus", explique M. Ormrod.

Donc, si l'on insiste sur le caractère absolu des événements observés, il faut faire un compromis. Ce ne sera pas la non-localité de Bell ou la préservation de l'information : la première repose sur des bases empiriques solides, et la seconde est considérée comme un aspect important de toute théorie de la réalité. L'accent est mis sur la dynamique locale, en particulier sur la séparabilité dynamique.

La séparabilité dynamique est "une sorte d'hypothèse du réductionnisme", explique M. Ormrod. "On peut expliquer les grandes choses en termes de petits morceaux.

Le fait de préserver le caractère absolu des événements observés pourrait signifier que ce réductionnisme ne tient pas : tout comme un état non local de Bell ne peut être réduit à certains états constitutifs, il se peut que la dynamique d'un système soit également holistique, ce qui ajoute un autre type de nonlocalité à l'univers. Il est important de noter que le fait d'y renoncer ne met pas une théorie en porte-à-faux avec les théories de la relativité d'Einstein, tout comme les physiciens ont soutenu que la non-localité de Bell ne nécessite pas d'influences causales superluminales ou non locales, mais simplement des états non séparables.

"Peut-être que la leçon de Bell est que les états des particules distantes sont inextricablement liés, et que la leçon des nouveaux théorèmes est que leur dynamique l'est aussi", ont écrit Ormrod, Venkatesh et Barrett dans leur article.

"J'aime beaucoup l'idée de rejeter la séparabilité dynamique, car si cela fonctionne, alors ... nous aurons le beurre et l'argent du beurre", déclare Ormrod. "Nous pouvons continuer à croire ce que nous considérons comme les choses les plus fondamentales du monde : le fait que la théorie de la relativité est vraie, que l'information est préservée, et ce genre de choses. Mais nous pouvons aussi croire à l'absoluité des événements observés".

Jeffrey Bub, philosophe de la physique et professeur émérite à l'université du Maryland, College Park, est prêt à avaler quelques pilules amères si cela signifie vivre dans un univers objectif. "Je voudrais m'accrocher à l'absoluité des événements observés", déclare-t-il. "Il me semble absurde d'y renoncer simplement à cause du problème de la mesure en mécanique quantique. À cette fin, Bub pense qu'un univers dans lequel les dynamiques ne sont pas séparables n'est pas une si mauvaise idée. "Je pense que je serais provisoirement d'accord avec les auteurs pour dire que la non-séparabilité [dynamique] est l'option la moins désagréable", déclare-t-il.

Le problème est que personne ne sait encore comment construire une théorie qui rejette la séparabilité dynamique - à supposer qu'elle soit possible à construire - tout en conservant les autres propriétés telles que la préservation de l'information et la non-localité de Bell.

UNE NON LOCALITÉ PLUS PROFONDE

Howard Wiseman, de l'université Griffith, qui est considéré comme une figure fondatrice de ces réflexions théoriques, apprécie l'effort d'Ormrod, Venkatesh et Barrett pour prouver un théorème qui s'applique à la mécanique quantique sans lui être spécifique. "C'est bien qu'ils poussent dans cette direction", déclare-t-il. "Nous pouvons dire des choses plus générales sans faire référence à la mécanique quantique.

 Il souligne que l'expérience de pensée utilisée dans l'analyse ne demande pas à Alice, Bob, Charlie et Daniela de faire des choix - ils font toujours les mêmes mesures. Par conséquent, les hypothèses utilisées pour prouver le théorème n'incluent pas explicitement une hypothèse sur la liberté de choix, car personne n'exerce un tel choix. Normalement, moins il y a d'hypothèses, plus la preuve est solide, mais ce n'est peut-être pas le cas ici, explique Wiseman. En effet, la première hypothèse, selon laquelle la théorie doit tenir compte de la non-localité de Bell, exige que les agents soient dotés d'un libre arbitre. Tout test empirique de la non-localité de Bell implique qu'Alice et Bob choisissent de leur plein gré les types de mesures qu'ils effectuent. Par conséquent, si une théorie est nonlocale au sens de Bell, elle reconnaît implicitement le libre arbitre des expérimentateurs. "Ce que je soupçonne, c'est qu'ils introduisent subrepticement une hypothèse de libre arbitre", déclare Wiseman.

Cela ne veut pas dire que la preuve est plus faible. Au contraire, elle aurait été plus forte si elle n'avait pas exigé une hypothèse de libre arbitre. En l'occurrence, le libre arbitre reste une exigence. Dans ces conditions, la portée la plus profonde de ce théorème pourrait être que l'univers est non local d'une manière entièrement nouvelle. Si tel est le cas, cette nonlocalité serait égale ou supérieure à la nonlocalité de Bell, dont la compréhension a ouvert la voie aux communications quantiques et à la cryptographie quantique. Personne ne sait ce qu'un nouveau type de nonlocalité - suggéré par la non-séparabilité dynamique - signifierait pour notre compréhension de l'univers.

En fin de compte, seules les expériences permettront de trouver la bonne théorie, et les physiciens quantiques ne peuvent que se préparer à toute éventualité. "Indépendamment de l'opinion personnelle de chacun sur la meilleure [théorie], toutes doivent être explorées", déclare M. Venkatesh. "En fin de compte, nous devrons examiner les expériences que nous pouvons réaliser. Cela pourrait être dans un sens ou dans l'autre, et il est bon de s'y préparer."

Auteur: Internet

Info: https://www.scientificamerican.com, Par Anil Ananthaswamy le 22 mai 2023

[ enchevêtrement quantique ] [ régions de l'espace-temps ] [ monde subatomique ]

auto-programmation

Pieuvres et calmars modifient et corrigent (édit en anglais) leur ARN, tout en laissant l'ADN intact. Des changements qui pourraient expliquer l'intelligence et la flexibilité des céphalopodes dépourvus de coquille

De nombreux écrivains se plaignent lorsqu'un rédacteur  vient éditer et donc modifier leur article, mais les conséquences de la modification d'un seul mot ne sont généralement pas si graves.

Ce n'est pas le cas des instructions génétiques pour la fabrication des protéines. Même une petite modification peut empêcher une protéine de faire son travail correctement, ce qui peut avoir des conséquences mortelles. Ce n'est qu'occasionnellement qu'un changement est bénéfique. Il semble plus sage de conserver les instructions génétiques telles qu'elles sont écrites. À moins d'être une pieuvre.

Les pieuvres sont comme des extraterrestres qui vivent parmi nous : elles font beaucoup de choses différemment des animaux terrestres ou même des autres créatures marines. Leurs tentacules flexibles goûtent ce qu'ils touchent et ont leur esprit propre. Les yeux des pieuvres sont daltoniens, mais leur peau peut détecter la lumière par elle-même. Les pieuvres sont des maîtres du déguisement, changeant de couleur et de texture de peau pour se fondre dans leur environnement ou effrayer leurs rivaux. Et plus que la plupart des créatures, les pieuvres font gicler l'équivalent moléculaire de l'encre rouge sur leurs instructions génétiques avec un abandon stupéfiant, comme un rédacteur en chef déchaîné.

Ces modifications-éditions concernent l'ARN, molécule utilisée pour traduire les informations du plan génétique stocké dans l'ADN, tout en laissant l'ADN intact.

Les scientifiques ne savent pas encore avec certitude pourquoi les pieuvres et d'autres céphalopodes sans carapace, comme les calmars et les seiches, sont des modificateurs aussi prolifiques. Les chercheurs se demandent si cette forme d'édition génétique a donné aux céphalopodes une longueur d'avance sur le plan de l'évolution (ou un tentacule) ou si cette capacité n'est qu'un accident parfois utile. Les scientifiques étudient également les conséquences que les modifications de l'ARN peuvent avoir dans diverses conditions. Certaines données suggèrent que l'édition pourrait donner aux céphalopodes une partie de leur intelligence, mais au prix d'un ralentissement de l'évolution de leur ADN.

"Ces animaux sont tout simplement magiques", déclare Caroline Albertin, biologiste spécialiste du développement comparatif au Marine Biological Laboratory de Woods Hole (Massachusetts). "Ils ont toutes sortes de solutions différentes pour vivre dans le monde d'où ils viennent. L'édition de l'ARN pourrait contribuer à donner à ces créatures un grand nombre de solutions aux problèmes qu'elles peuvent rencontrer.

(vidéo - Contrairement à d'autres animaux à symétrie bilatérale, les pieuvres ne rampent pas dans une direction prédéterminée. Des vidéos de pieuvres en train de ramper montrent qu'elles peuvent se déplacer dans n'importe quelle direction par rapport à leur corps, et qu'elles changent de direction de rampe sans avoir à tourner leur corps. Dans le clip, la flèche verte indique l'orientation du corps de la pieuvre et la flèche bleue indique la direction dans laquelle elle rampe.)

Le dogme central de la biologie moléculaire veut que les instructions pour construire un organisme soient contenues dans l'ADN. Les cellules copient ces instructions dans des ARN messagers, ou ARNm. Ensuite, des machines cellulaires appelées ribosomes lisent les ARNm pour construire des protéines en enchaînant des acides aminés. La plupart du temps, la composition de la protéine est conforme au modèle d'ADN pour la séquence d'acides aminés de la protéine.

Mais l'édition de l'ARN peut entraîner des divergences par rapport aux instructions de l'ADN, créant ainsi des protéines dont les acides aminés sont différents de ceux spécifiés par l'ADN.

L'édition modifie chimiquement l'un des quatre éléments constitutifs de l'ARN, ou bases. Ces bases sont souvent désignées par les premières lettres de leur nom : A, C, G et U, pour adénine, cytosine, guanine et uracile (la version ARN de la base ADN thymine). Dans une molécule d'ARN, les bases sont liées à des sucres ; l'unité adénine-sucre, par exemple, est appelée adénosine.

Il existe de nombreuses façons d'éditer des lettres d'ARN. Les céphalopodes excellent dans un type d'édition connu sous le nom d'édition de l'adénosine à l'inosine, ou A-to-I. Cela se produit lorsqu'une enzyme appelée ADAR2 enlève un atome d'azote et deux atomes d'hydrogène de l'adénosine (le A). Ce pelage chimique transforme l'adénosine en inosine (I).

 Les ribosomes lisent l'inosine comme une guanine au lieu d'une adénine. Parfois, ce changement n'a aucun effet sur la chaîne d'acides aminés de la protéine résultante. Mais dans certains cas, la présence d'un G à la place d'un A entraîne l'insertion d'un acide aminé différent dans la protéine. Ce type d'édition de l'ARN modifiant la protéine est appelé recodage de l'ARN.

Les céphalopodes à corps mou ont adopté le recodage de l'ARN à bras-le-corps, alors que même les espèces étroitement apparentées sont plus hésitantes à accepter les réécritures, explique Albertin. "Les autres mollusques ne semblent pas le faire dans la même mesure.

L'édition de l'ARN ne se limite pas aux créatures des profondeurs. Presque tous les organismes multicellulaires possèdent une ou plusieurs enzymes d'édition de l'ARN appelées enzymes ADAR, abréviation de "adénosine désaminase agissant sur l'ARN", explique Joshua Rosenthal, neurobiologiste moléculaire au Marine Biological Laboratory.

Les céphalopodes possèdent deux enzymes ADAR. L'homme possède également des versions de ces enzymes. "Dans notre cerveau, nous modifions une tonne d'ARN. Nous le faisons beaucoup", explique Rosenthal. Au cours de la dernière décennie, les scientifiques ont découvert des millions d'endroits dans les ARN humains où se produit l'édition.

Mais ces modifications changent rarement les acides aminés d'une protéine. Par exemple, Eli Eisenberg, de l'université de Tel Aviv, et ses collègues ont identifié plus de 4,6 millions de sites d'édition dans les ARN humains. Parmi ceux-ci, seuls 1 517 recodent les protéines, ont rapporté les chercheurs l'année dernière dans Nature Communications. Parmi ces sites de recodage, jusqu'à 835 sont partagés avec d'autres mammifères, ce qui suggère que les forces de l'évolution ont préservé l'édition à ces endroits.

(Encadré :  Comment fonctionne l'édition de l'ARN ?

Dans une forme courante d'édition de l'ARN, une adénosine devient une inosine par une réaction qui supprime un groupe aminé et le remplace par un oxygène (flèches). L'illustration montre une enzyme ADAR se fixant à un ARN double brin au niveau du "domaine de liaison de l'ARNdb". La région de l'enzyme qui interagit pour provoquer la réaction, le "domaine de la désaminase", est positionnée près de l'adénosine qui deviendra une inosine.)

Les céphalopodes portent le recodage de l'ARN à un tout autre niveau, dit Albertin. L'encornet rouge (Doryteuthis pealeii) possède 57 108 sites de recodage, ont rapporté Rosenthal, Eisenberg et leurs collègues en 2015 dans eLife. Depuis, les chercheurs ont examiné plusieurs espèces de pieuvres, de calmars et de seiches, et ont à chaque fois trouvé des dizaines de milliers de sites de recodage.

Les céphalopodes à corps mou, ou coléoïdes, pourraient avoir plus de possibilités d'édition que les autres animaux en raison de l'emplacement d'au moins une des enzymes ADAR, ADAR2, dans la cellule. La plupart des animaux éditent les ARN dans le noyau - le compartiment où l'ADN est stocké et copié en ARN - avant d'envoyer les messages à la rencontre des ribosomes. Mais chez les céphalopodes, les enzymes se trouvent également dans le cytoplasme, l'organe gélatineux des cellules, ont découvert Rosenthal et ses collègues (SN : 4/25/20, p. 10).

Le fait d'avoir des enzymes d'édition dans deux endroits différents n'explique pas complètement pourquoi le recodage de l'ARN chez les céphalopodes dépasse de loin celui des humains et d'autres animaux. Cela n'explique pas non plus les schémas d'édition que les scientifiques ont découverts.

L'édition de l'ARN amènerait de la flexibilité aux céphalopodes

L'édition n'est pas une proposition "tout ou rien". Il est rare que toutes les copies d'un ARN dans une cellule soient modifiées. Il est beaucoup plus fréquent qu'un certain pourcentage d'ARN soit édité tandis que le reste conserve son information originale. Le pourcentage, ou fréquence, de l'édition peut varier considérablement d'un ARN à l'autre ou d'une cellule ou d'un tissu à l'autre, et peut dépendre de la température de l'eau ou d'autres conditions. Chez le calmar à nageoires longues, la plupart des sites d'édition de l'ARN étaient édités 2 % ou moins du temps, ont rapporté Albertin et ses collègues l'année dernière dans Nature Communications. Mais les chercheurs ont également trouvé plus de 205 000 sites qui étaient modifiés 25 % du temps ou plus.

Dans la majeure partie du corps d'un céphalopode, l'édition de l'ARN n'affecte pas souvent la composition des protéines. Mais dans le système nerveux, c'est une autre histoire. Dans le système nerveux du calmar à nageoires longues, 70 % des modifications apportées aux ARN producteurs de protéines recodent ces dernières. Dans le système nerveux de la pieuvre californienne à deux points (Octopus bimaculoides), les ARN sont recodés trois à six fois plus souvent que dans d'autres organes ou tissus.

(Photo -  L'encornet rouge recode l'ARN à plus de 50 000 endroits. Le recodage de l'ARN pourrait aider le calmar à réagir avec plus de souplesse à son environnement, mais on ne sait pas encore si le recodage a une valeur évolutive. Certains ARNm possèdent plusieurs sites d'édition qui modifient les acides aminés des protéines codées par les ARNm. Dans le système nerveux de l'encornet rouge, par exemple, 27 % des ARNm ont trois sites de recodage ou plus. Certains contiennent 10 sites ou plus. La combinaison de ces sites d'édition pourrait entraîner la fabrication de plusieurs versions d'une protéine dans une cellule.)

Le fait de disposer d'un large choix de protéines pourrait donner aux céphalopodes "plus de souplesse pour réagir à l'environnement", explique M. Albertin, "ou leur permettre de trouver diverses solutions au problème qui se pose à eux". Dans le système nerveux, l'édition de l'ARN pourrait contribuer à la flexibilité de la pensée, ce qui pourrait expliquer pourquoi les pieuvres peuvent déverrouiller des cages ou utiliser des outils, pensent certains chercheurs. L'édition pourrait être un moyen facile de créer une ou plusieurs versions d'une protéine dans le système nerveux et des versions différentes dans le reste du corps, explique Albertin.

Lorsque l'homme et d'autres vertébrés ont des versions différentes d'une protéine, c'est souvent parce qu'ils possèdent plusieurs copies d'un gène. Doubler, tripler ou quadrupler les copies d'un gène "permet de créer tout un terrain de jeu génétique pour permettre aux gènes de s'activer et d'accomplir différentes fonctions", explique M. Albertin. Mais les céphalopodes ont tendance à ne pas dupliquer les gènes. Leurs innovations proviennent plutôt de l'édition.

Et il y a beaucoup de place pour l'innovation. Chez le calmar, les ARNm servant à construire la protéine alpha-spectrine comportent 242 sites de recodage. Toutes les combinaisons de sites modifiés et non modifiés pourraient théoriquement créer jusqu'à 7 x 1072 formes de la protéine, rapportent Rosenthal et Eisenberg dans le numéro de cette année de l'Annual Review of Animal Biosciences (Revue annuelle des biosciences animales). "Pour mettre ce chiffre en perspective, écrivent les chercheurs, il suffit de dire qu'il éclipse le nombre de toutes les molécules d'alpha-spectrine (ou, d'ailleurs, de toutes les molécules de protéines) synthétisées dans toutes les cellules de tous les calmars qui ont vécu sur notre planète depuis l'aube des temps.

Selon Kavita Rangan, biologiste moléculaire à l'université de Californie à San Diego, ce niveau de complexité incroyable ne serait possible que si chaque site était indépendant. Rangan a étudié le recodage de l'ARN chez le calmar californien (Doryteuthis opalescens) et le calmar à nageoires longues. La température de l'eau incite les calmars à recoder les protéines motrices appelées kinésines qui déplacent les cargaisons à l'intérieur des cellules.

Chez l'encornet rouge, l'ARNm qui produit la kinésine-1 comporte 14 sites de recodage, a découvert Mme Rangan. Elle a examiné les ARNm du lobe optique - la partie du cerveau qui traite les informations visuelles - et du ganglion stellaire, un ensemble de nerfs impliqués dans la génération des contractions musculaires qui produisent des jets d'eau pour propulser le calmar.

Chaque tissu produit plusieurs versions de la protéine. Rangan et Samara Reck-Peterson, également de l'UC San Diego, ont rapporté en septembre dernier dans un article publié en ligne sur bioRxiv.org que certains sites avaient tendance à être édités ensemble. Leurs données suggèrent que l'édition de certains sites est coordonnée et "rejette très fortement l'idée que l'édition est indépendante", explique Rangan. "La fréquence des combinaisons que nous observons ne correspond pas à l'idée que chaque site a été édité indépendamment.

L'association de sites d'édition pourrait empêcher les calmars et autres céphalopodes d'atteindre les sommets de complexité dont ils sont théoriquement capables. Néanmoins, l'édition de l'ARN offre aux céphalopodes un moyen d'essayer de nombreuses versions d'une protéine sans s'enfermer dans une modification permanente de l'ADN, explique M. Rangan.

Ce manque d'engagement laisse perplexe Jianzhi Zhang, généticien évolutionniste à l'université du Michigan à Ann Arbor. "Pour moi, cela n'a pas de sens", déclare-t-il. "Si vous voulez un acide aminé particulier dans une protéine, vous devez modifier l'ADN. Pourquoi changer l'ARN ?

L'édition de l'ARN a-t-elle une valeur évolutive ?

L'édition de l'ARN offre peut-être un avantage évolutif. Pour tester cette idée, Zhang et Daohan Jiang, alors étudiant de troisième cycle, ont comparé les sites "synonymes", où les modifications ne changent pas les acides aminés, aux sites "non synonymes", où le recodage se produit. Étant donné que les modifications synonymes ne modifient pas les acides aminés, les chercheurs ont considéré que ces modifications étaient neutres du point de vue de l'évolution. Chez l'homme, le recodage, ou édition non synonyme, se produit sur moins de sites que l'édition synonyme, et le pourcentage de molécules d'ARN qui sont éditées est plus faible que sur les sites synonymes.

"Si nous supposons que l'édition synonyme est comme un bruit qui se produit dans la cellule, et que l'édition non-synonyme est moins fréquente et [à un] niveau plus bas, cela suggère que l'édition non-synonyme est en fait nuisible", explique Zhang. Même si le recodage chez les céphalopodes est beaucoup plus fréquent que chez les humains, dans la plupart des cas, le recodage n'est pas avantageux, ou adaptatif, pour les céphalopodes, ont affirmé les chercheurs en 2019 dans Nature Communications.

Il existe quelques sites communs où les pieuvres, les calmars et les seiches recodent tous leurs ARN, ont constaté les chercheurs, ce qui suggère que le recodage est utile dans ces cas. Mais il s'agit d'une petite fraction des sites d'édition. Zhang et Jiang ont constaté que quelques autres sites édités chez une espèce de céphalopode, mais pas chez les autres, étaient également adaptatifs.

Si ce n'est pas si utile que cela, pourquoi les céphalopodes ont-ils continué à recoder l'ARN pendant des centaines de millions d'années ? L'édition de l'ARN pourrait persister non pas parce qu'elle est adaptative, mais parce qu'elle crée une dépendance, selon Zhang.

Zhang et Jiang ont proposé un modèle permettant de nuire (c'est-à-dire une situation qui permet des modifications nocives de l'ADN). Imaginez, dit-il, une situation dans laquelle un G (guanine) dans l'ADN d'un organisme est muté en A (adénine). Si cette mutation entraîne un changement d'acide aminé nocif dans une protéine, la sélection naturelle devrait éliminer les individus porteurs de cette mutation. Mais si, par chance, l'organisme dispose d'un système d'édition de l'ARN, l'erreur dans l'ADN peut être corrigée par l'édition de l'ARN, ce qui revient à transformer le A en G. Si la protéine est essentielle à la vie, l'ARN doit être édité à des niveaux élevés de sorte que presque chaque copie soit corrigée.

 Lorsque cela se produit, "on est bloqué dans le système", explique M. Zhang. L'organisme est désormais dépendant de la machinerie d'édition de l'ARN. "On ne peut pas la perdre, car il faut que le A soit réédité en G pour survivre, et l'édition est donc maintenue à des niveaux élevés.... Au début, on n'en avait pas vraiment besoin, mais une fois qu'on l'a eue, on en est devenu dépendant".

Zhang soutient que ce type d'édition est neutre et non adaptatif. Mais d'autres recherches suggèrent que l'édition de l'ARN peut être adaptative.

L'édition de l'ARN peut fonctionner comme une phase de transition, permettant aux organismes de tester le passage de l'adénine à la guanine sans apporter de changement permanent à leur ADN. Au cours de l'évolution, les sites où les adénines sont recodées dans l'ARN d'une espèce de céphalopode sont plus susceptibles que les adénines non éditées d'être remplacées par des guanines dans l'ADN d'une ou de plusieurs espèces apparentées, ont rapporté les chercheurs en 2020 dans PeerJ. Et pour les sites fortement modifiés, l'évolution chez les céphalopodes semble favoriser une transition de A à G dans l'ADN (plutôt qu'à la cytosine ou à la thymine, les deux autres éléments constitutifs de l'ADN). Cela favorise l'idée que l'édition peut être adaptative.

D'autres travaux récents de Rosenthal et de ses collègues, qui ont examiné les remplacements de A en G chez différentes espèces, suggèrent que le fait d'avoir un A modifiable est un avantage évolutif par rapport à un A non modifiable ou à un G câblé.

(Tableau :  Quelle est la fréquence de l'enregistrement de l'ARN ?

Les céphalopodes à corps mou, notamment les pieuvres, les calmars et les seiches, recodent l'ARN dans leur système nerveux sur des dizaines de milliers de sites, contre un millier ou moins chez l'homme, la souris, la mouche des fruits et d'autres espèces animales. Bien que les scientifiques aient documenté le nombre de sites d'édition, ils auront besoin de nouveaux outils pour tester directement l'influence du recodage sur la biologie des céphalopodes.

Schéma avec comparaison des nombre de sites de recodage de l'ARN chez les animaux

J.J.C. ROSENTHAL ET E. EISENBERG/ANNUAL REVIEW OF ANIMAL BIOSCIENCES 2023 )

Beaucoup de questions en suspens

Les preuves pour ou contre la valeur évolutive du recodage de l'ARN proviennent principalement de l'examen de la composition génétique totale, ou génomes, de diverses espèces de céphalopodes. Mais les scientifiques aimeraient vérifier directement si les ARN recodés ont un effet sur la biologie des céphalopodes. Pour ce faire, il faudra utiliser de nouveaux outils et faire preuve de créativité.

Rangan a testé des versions synthétiques de protéines motrices de calmars et a constaté que deux versions modifiées que les calmars fabriquent dans le froid se déplaçaient plus lentement mais plus loin le long de pistes protéiques appelées microtubules que les protéines non modifiées. Mais il s'agit là de conditions artificielles de laboratoire, sur des lames de microscope. Pour comprendre ce qui se passe dans les cellules, Mme Rangan aimerait pouvoir cultiver des cellules de calmar dans des boîtes de laboratoire. Pour l'instant, elle doit prélever des tissus directement sur le calmar et ne peut obtenir que des instantanés de ce qui se passe. Les cellules cultivées en laboratoire pourraient lui permettre de suivre ce qui se passe au fil du temps.

M. Zhang explique qu'il teste son hypothèse de l'innocuité en amenant la levure à s'intéresser à l'édition de l'ARN. La levure de boulanger (Saccharomyces cerevisiae) ne possède pas d'enzymes ADAR. Mais Zhang a modifié une souche de cette levure pour qu'elle soit porteuse d'une version humaine de l'enzyme. Les enzymes ADAR rendent la levure malade et la font croître lentement, explique-t-il. Pour accélérer l'expérience, la souche qu'il utilise a un taux de mutation supérieur à la normale et peut accumuler des mutations G-A. Mais si l'édition de l'ARN peut corriger ces mutations, il est possible d'obtenir des résultats positifs. Mais si l'édition de l'ARN peut corriger ces mutations, la levure porteuse d'ADAR pourrait se développer mieux que celles qui n'ont pas l'enzyme. Et après de nombreuses générations, la levure pourrait devenir dépendante de l'édition, prédit Zhang.

Albertin, Rosenthal et leurs collègues ont mis au point des moyens de modifier les gènes des calmars à l'aide de l'éditeur de gènes CRISPR/Cas9. L'équipe a créé un calmar albinos en utilisant CRISPR/Cas9 pour supprimer, ou désactiver, un gène qui produit des pigments. Les chercheurs pourraient être en mesure de modifier les sites d'édition dans l'ADN ou dans l'ARN et de tester leur fonction, explique Albertin.

Cette science n'en est qu'à ses débuts et l'histoire peut mener à des résultats inattendus. Néanmoins, grâce à l'habileté des céphalopodes en matière d'édition, la lecture de cet article ne manquera pas d'être intéressante.

 

Auteur: Internet

Info: https://www.sciencenews.org/article/octopus-squid-rna-editing-dna-cephalopods, Tina Hesman Saey, 19 may 2023

[ poulpes ] [ calamars ] [ homme-animal ]

dichotomie

De quoi l'espace-temps est-il réellement fait ?

L'espace-temps pourrait émerger d'une réalité plus fondamentale. La découverte de cette réalité pourrait débloquer l'objectif le plus urgent de la physique

Natalie Paquette passe son temps à réfléchir à la manière de faire croître une dimension supplémentaire. Elle commence par de petits cercles, dispersés en tout point de l'espace et du temps - une dimension en forme de boucle, qui se referme sur elle-même. Puis on rétrécit ces cercles, de plus en plus petits, en resserrant la boucle, jusqu'à ce qu'une curieuse transformation se produise : la dimension cesse de sembler minuscule et devient énorme, comme lorsqu'on réalise que quelque chose qui semble petit et proche est en fait énorme et distant. "Nous réduisons une direction spatiale", explique Paquette. "Mais lorsque nous essayons de la rétrécir au-delà d'un certain point, une nouvelle et grande direction spatiale émerge à la place."

Paquette, physicien théoricien à l'université de Washington, n'est pas le seul à penser à cette étrange sorte de transmutation dimensionnelle. Un nombre croissant de physiciens, travaillant dans différents domaines de la discipline avec des approches différentes, convergent de plus en plus vers une idée profonde : l'espace - et peut-être même le temps - n'est pas fondamental. Au contraire, l'espace et le temps pourraient être émergents : ils pourraient découler de la structure et du comportement de composants plus fondamentaux de la nature. Au niveau le plus profond de la réalité, des questions comme "Où ?" et "Quand ?" n'ont peut-être aucune réponse. "La physique nous donne de nombreux indices selon lesquels l'espace-temps tel que nous le concevons n'est pas la chose fondamentale", déclare M. Paquette.

Ces notions radicales proviennent des derniers rebondissements de la chasse à la théorie de la gravité quantique, qui dure depuis un siècle. La meilleure théorie des physiciens sur la gravité est la relativité générale, la célèbre conception d'Albert Einstein sur la façon dont la matière déforme l'espace et le temps. Leur meilleure théorie sur tout le reste est la physique quantique, qui est d'une précision étonnante en ce qui concerne les propriétés de la matière, de l'énergie et des particules subatomiques. Les deux théories ont facilement passé tous les tests que les physiciens ont pu concevoir au cours du siècle dernier. On pourrait penser qu'en les réunissant, on obtiendrait une "théorie du tout".

Mais les deux théories ne s'entendent pas bien. Demandez à la relativité générale ce qui se passe dans le contexte de la physique quantique, et vous obtiendrez des réponses contradictoires, avec des infinis indomptés se déchaînant sur vos calculs. La nature sait comment appliquer la gravité dans des contextes quantiques - cela s'est produit dans les premiers instants du big bang, et cela se produit encore au cœur des trous noirs - mais nous, les humains, avons encore du mal à comprendre comment le tour se joue. Une partie du problème réside dans la manière dont les deux théories traitent l'espace et le temps. Alors que la physique quantique considère l'espace et le temps comme immuables, la relativité générale les déforme au petit déjeuner.

D'une manière ou d'une autre, une théorie de la gravité quantique devrait concilier ces idées sur l'espace et le temps. Une façon d'y parvenir serait d'éliminer le problème à sa source, l'espace-temps lui-même, en faisant émerger l'espace et le temps de quelque chose de plus fondamental. Ces dernières années, plusieurs pistes de recherche différentes ont toutes suggéré qu'au niveau le plus profond de la réalité, l'espace et le temps n'existent pas de la même manière que dans notre monde quotidien. Au cours de la dernière décennie, ces idées ont radicalement changé la façon dont les physiciens envisagent les trous noirs. Aujourd'hui, les chercheurs utilisent ces concepts pour élucider le fonctionnement d'un phénomène encore plus exotique : les trous de ver, connexions hypothétiques en forme de tunnel entre des points distants de l'espace-temps. Ces succès ont entretenu l'espoir d'une percée encore plus profonde. Si l'espace-temps est émergent, alors comprendre d'où il vient - et comment il pourrait naître de n'importe quoi d'autre - pourrait être la clé manquante qui ouvrirait enfin la porte à une théorie du tout.

LE MONDE DANS UN DUO DE CORDES

Aujourd'hui, la théorie candidate à la gravité quantique la plus populaire parmi les physiciens est la théorie des cordes. Selon cette idée, les cordes éponymes sont les constituants fondamentaux de la matière et de l'énergie, donnant naissance à la myriade de particules subatomiques fondamentales observées dans les accélérateurs de particules du monde entier. Elles sont même responsables de la gravité - une particule hypothétique porteuse de la force gravitationnelle, un "graviton", est une conséquence inévitable de la théorie.

Mais la théorie des cordes est difficile à comprendre : elle se situe dans un territoire mathématique que les physiciens et les mathématiciens ont mis des décennies à explorer. Une grande partie de la structure de la théorie est encore inexplorée, des expéditions sont encore prévues et des cartes restent à établir. Dans ce nouveau domaine, la principale technique de navigation consiste à utiliser des dualités mathématiques, c'est-à-dire des correspondances entre un type de système et un autre.

La dualité évoquée au début de cet article, entre les petites dimensions et les grandes, en est un exemple. Si vous essayez de faire entrer une dimension dans un petit espace, la théorie des cordes vous dit que vous obtiendrez quelque chose de mathématiquement identique à un monde où cette dimension est énorme. Selon la théorie des cordes, les deux situations sont identiques : vous pouvez aller et venir librement de l'une à l'autre et utiliser les techniques d'une situation pour comprendre le fonctionnement de l'autre. "Si vous gardez soigneusement la trace des éléments fondamentaux de la théorie, dit Paquette, vous pouvez naturellement trouver parfois que... vous pourriez faire croître une nouvelle dimension spatiale."

Une dualité similaire suggère à de nombreux théoriciens des cordes que l'espace lui-même est émergeant. L'idée a germé en 1997, lorsque Juan Maldacena, physicien à l'Institute for Advanced Study, a découvert une dualité entre une théorie quantique bien comprise, connue sous le nom de théorie des champs conforme (CFT), et un type particulier d'espace-temps issu de la relativité générale, appelé espace anti-de Sitter (AdS). Ces deux théories semblent très différentes : la CFT ne comporte aucune gravité, tandis que l'espace AdS intègre toute la théorie de la gravité d'Einstein. Pourtant, les mêmes mathématiques peuvent décrire les deux mondes. Lorsqu'elle a été découverte, cette correspondance AdS/CFT a fourni un lien mathématique tangible entre une théorie quantique et un univers complet comportant une gravité.

Curieusement, l'espace AdS dans la correspondance AdS/CFT comportait une dimension de plus que la CFT quantique. Mais les physiciens se sont délectés de ce décalage, car il s'agissait d'un exemple parfaitement élaboré d'un autre type de correspondance conçu quelques années plus tôt par les physiciens Gerard 't Hooft de l'université d'Utrecht aux Pays-Bas et Leonard Susskind de l'université de Stanford, connu sous le nom de principe holographique. Se fondant sur certaines des caractéristiques particulières des trous noirs, Gerard 't Hooft et Leonard Susskind soupçonnaient que les propriétés d'une région de l'espace pouvaient être entièrement "codées" par sa frontière. En d'autres termes, la surface bidimensionnelle d'un trou noir contiendrait toutes les informations nécessaires pour savoir ce qui se trouve dans son intérieur tridimensionnel, comme un hologramme. "Je pense que beaucoup de gens ont pensé que nous étions fous", dit Susskind. "Deux bons physiciens devenusdingues".

De même, dans la correspondance AdS/CFT, la CFT quadridimensionnelle encode tout ce qui concerne l'espace AdS à cinq dimensions auquel elle est associée. Dans ce système, la région entière de l'espace-temps est construite à partir des interactions entre les composants du système quantique dans la théorie des champs conforme. Maldacena compare ce processus à la lecture d'un roman. "Si vous racontez une histoire dans un livre, il y a les personnages du livre qui font quelque chose", dit-il. "Mais tout ce qu'il y a, c'est une ligne de texte, non ? Ce que font les personnages est déduit de cette ligne de texte. Les personnages du livre seraient comme la théorie [AdS] globale. Et la ligne de texte est la [CFT]."

Mais d'où vient l'espace de l'espace AdS ? Si cet espace est émergent, de quoi émerge-t-il ? La réponse est un type d'interaction spécial et étrangement quantique dans la CFT : l'intrication, une connexion à longue distance entre des objets, corrélant instantanément leur comportement de manière statistiquement improbable. L'intrication a beaucoup troublé Einstein, qui l'a qualifiée d'"action étrange à distance".

Connaîtrons-nous un jour la véritable nature de l'espace et du temps ?

 Pourtant, malgré son caractère effrayant, l'intrication est une caractéristique essentielle de la physique quantique. Lorsque deux objets interagissent en mécanique quantique, ils s'intriquent généralement et le resteront tant qu'ils resteront isolés du reste du monde, quelle que soit la distance qui les sépare. Dans des expériences, les physiciens ont maintenu l'intrication entre des particules distantes de plus de 1 000 kilomètres et même entre des particules au sol et d'autres envoyées vers des satellites en orbite. En principe, deux particules intriquées pourraient maintenir leur connexion sur des côtés opposés de la galaxie ou de l'univers. La distance ne semble tout simplement pas avoir d'importance pour l'intrication, une énigme qui a troublé de nombreux physiciens pendant des décennies.

Mais si l'espace est émergent, la capacité de l'intrication à persister sur de grandes distances n'est peut-être pas si mystérieuse - après tout, la distance est une construction. Selon les études de la correspondance AdS/CFT menées par les physiciens Shinsei Ryu de l'université de Princeton et Tadashi Takayanagi de l'université de Kyoto, l'intrication est ce qui produit les distances dans l'espace AdS en premier lieu. Deux régions d'espace proches du côté AdS de la dualité correspondent à deux composantes quantiques hautement intriquées de la CFT. Plus elles sont intriquées, plus les régions de l'espace sont proches les unes des autres.

Ces dernières années, les physiciens en sont venus à soupçonner que cette relation pourrait également s'appliquer à notre univers. "Qu'est-ce qui maintient l'espace ensemble et l'empêche de se désagréger en sous-régions distinctes ? La réponse est l'intrication entre deux parties de l'espace", déclare Susskind. "La continuité et la connectivité de l'espace doivent leur existence à l'intrication quantique-mécanique". L'intrication pourrait donc sous-tendre la structure de l'espace lui-même, formant la chaîne et la trame qui donnent naissance à la géométrie du monde. "Si l'on pouvait, d'une manière ou d'une autre, détruire l'intrication entre deux parties [de l'espace], l'espace se désagrégerait", déclare Susskind. "Il ferait le contraire de l'émergence. Il désémergerait."

Si l'espace est fait d'intrication, l'énigme de la gravité quantique semble beaucoup plus facile à résoudre : au lieu d'essayer de rendre compte de la déformation de l'espace de manière quantique, l'espace lui-même émerge d'un phénomène fondamentalement quantique. Susskind pense que c'est la raison pour laquelle une théorie de la gravité quantique a été si difficile à trouver en premier lieu. "Je pense que la raison pour laquelle elle n'a jamais très bien fonctionné est qu'elle a commencé par une image de deux choses différentes, [la relativité générale] et la mécanique quantique, et qu'elle les a mises ensemble", dit-il. "Et je pense que l'idée est qu'elles sont beaucoup trop étroitement liées pour être séparées puis réunies à nouveau. La gravité n'existe pas sans la mécanique quantique".

Pourtant, la prise en compte de l'espace émergent ne représente que la moitié du travail. L'espace et le temps étant si intimement liés dans la relativité, tout compte rendu de l'émergence de l'espace doit également expliquer le temps. "Le temps doit également émerger d'une manière ou d'une autre", déclare Mark van Raamsdonk, physicien à l'université de Colombie-Britannique et pionnier du lien entre intrication et espace-temps. "Mais cela n'est pas bien compris et constitue un domaine de recherche actif".

Un autre domaine actif, dit-il, consiste à utiliser des modèles d'espace-temps émergent pour comprendre les trous de ver. Auparavant, de nombreux physiciens pensaient que l'envoi d'objets à travers un trou de ver était impossible, même en théorie. Mais ces dernières années, les physiciens travaillant sur la correspondance AdS/CFT et sur des modèles similaires ont trouvé de nouvelles façons de construire des trous de ver. "Nous ne savons pas si nous pourrions le faire dans notre univers", dit van Raamsdonk. "Mais ce que nous savons maintenant, c'est que certains types de trous de ver traversables sont théoriquement possibles". Deux articles - l'un en 2016 et l'autre en 2018 - ont conduit à une rafale de travaux en cours dans ce domaine. Mais même si des trous de ver traversables pouvaient être construits, ils ne seraient pas d'une grande utilité pour les voyages spatiaux. Comme le souligne Susskind, "on ne peut pas traverser ce trou de ver plus vite qu'il ne faudrait à [la lumière] pour faire le chemin inverse."

Si les théoriciens des cordes ont raison, alors l'espace est construit à partir de l'intrication quantique, et le temps pourrait l'être aussi. Mais qu'est-ce que cela signifie vraiment ? Comment l'espace peut-il être "fait" d'intrication entre des objets, à moins que ces objets ne soient eux-mêmes quelque part ? Comment ces objets peuvent-ils s'enchevêtrer s'ils ne connaissent pas le temps et le changement ? Et quel type d'existence les choses pourraient-elles avoir sans habiter un espace et un temps véritables ?

Ces questions frisent la philosophie, et les philosophes de la physique les prennent au sérieux. "Comment diable l'espace-temps pourrait-il être le genre de chose qui pourrait être émergent ?" demande Eleanor Knox, philosophe de la physique au King's College de Londres. Intuitivement, dit-elle, cela semble impossible. Mais Knox ne pense pas que ce soit un problème. "Nos intuitions sont parfois catastrophiques", dit-elle. Elles "ont évolué dans la savane africaine en interagissant avec des macro-objets, des macro-fluides et des animaux biologiques" et ont tendance à ne pas être transférées au monde de la mécanique quantique. En ce qui concerne la gravité quantique, "Où sont les objets ?" et "Où vivent-ils ?" ne sont pas les bonnes questions à poser", conclut Mme Knox.

Il est certainement vrai que les objets vivent dans des lieux dans la vie de tous les jours. Mais comme Knox et bien d'autres le soulignent, cela ne signifie pas que l'espace et le temps doivent être fondamentaux, mais simplement qu'ils doivent émerger de manière fiable de ce qui est fondamental. Prenons un liquide, explique Christian Wüthrich, philosophe de la physique à l'université de Genève. "En fin de compte, il s'agit de particules élémentaires, comme les électrons, les protons et les neutrons ou, plus fondamental encore, les quarks et les leptons. Les quarks et les leptons ont-ils des propriétés liquides ? Cela n'a aucun sens... Néanmoins, lorsque ces particules fondamentales se rassemblent en nombre suffisant et montrent un certain comportement ensemble, un comportement collectif, alors elles agiront d'une manière qui ressemble à un liquide."

Selon Wüthrich, l'espace et le temps pourraient fonctionner de la même manière dans la théorie des cordes et d'autres théories de la gravité quantique. Plus précisément, l'espace-temps pourrait émerger des matériaux que nous considérons habituellement comme vivant dans l'univers - la matière et l'énergie elles-mêmes. "Ce n'est pas que nous ayons d'abord l'espace et le temps, puis nous ajoutons de la matière", explique Wüthrich. "Au contraire, quelque chose de matériel peut être une condition nécessaire pour qu'il y ait de l'espace et du temps. Cela reste un lien très étroit, mais c'est juste l'inverse de ce que l'on aurait pu penser à l'origine."

Mais il existe d'autres façons d'interpréter les dernières découvertes. La correspondance AdS/CFT est souvent considérée comme un exemple de la façon dont l'espace-temps pourrait émerger d'un système quantique, mais ce n'est peut-être pas vraiment ce qu'elle montre, selon Alyssa Ney, philosophe de la physique à l'université de Californie, à Davis. "AdS/CFT vous donne cette capacité de fournir un manuel de traduction entre les faits concernant l'espace-temps et les faits de la théorie quantique", dit Ney. "C'est compatible avec l'affirmation selon laquelle l'espace-temps est émergent, et une certaine théorie quantique est fondamentale." Mais l'inverse est également vrai, dit-elle. La correspondance pourrait signifier que la théorie quantique est émergente et que l'espace-temps est fondamental, ou qu'aucun des deux n'est fondamental et qu'il existe une théorie fondamentale encore plus profonde. L'émergence est une affirmation forte, dit Ney, et elle est ouverte à la possibilité qu'elle soit vraie. "Mais, du moins si l'on s'en tient à AdS/CFT, je ne vois toujours pas d'argument clair en faveur de l'émergence."

Un défi sans doute plus important pour l'image de la théorie des cordes de l'espace-temps émergent est caché à la vue de tous, juste au nom de la correspondance AdS/CFT elle-même. "Nous ne vivons pas dans un espace anti-de Sitter", dit Susskind. "Nous vivons dans quelque chose de beaucoup plus proche de l'espace de Sitter". L'espace de Sitter décrit un univers en accélération et en expansion, comme le nôtre. "Nous n'avons pas la moindre idée de la façon dont [l'holographie] s'y applique", conclut M. Susskind. Trouver comment établir ce type de correspondance pour un espace qui ressemble davantage à l'univers réel est l'un des problèmes les plus urgents pour les théoriciens des cordes. "Je pense que nous allons être en mesure de mieux comprendre comment entrer dans une version cosmologique de ceci", dit van Raamsdonk.

Enfin, il y a les nouvelles - ou l'absence de nouvelles - provenant des derniers accélérateurs de particules, qui n'ont trouvé aucune preuve de l'existence des particules supplémentaires prévues par la supersymétrie, une idée sur laquelle repose la théorie des cordes. Selon la supersymétrie, toutes les particules connues auraient leurs propres "superpartenaires", ce qui doublerait le nombre de particules fondamentales. Mais le Grand collisionneur de hadrons du CERN, près de Genève, conçu en partie pour rechercher des superpartenaires, n'en a vu aucun signe. "Toutes les versions vraiment précises de [l'espace-temps émergent] dont nous disposons se trouvent dans des théories supersymétriques", déclare Susskind. "Une fois que vous n'avez plus de supersymétrie, la capacité à suivre mathématiquement les équations s'évapore tout simplement de vos mains".

LES ATOMES DE L'ESPACE-TEMPS

La théorie des cordes n'est pas la seule idée qui suggère que l'espace-temps est émergent. La théorie des cordes "n'a pas réussi à tenir [ses] promesses en tant que moyen d'unir la gravité et la mécanique quantique", déclare Abhay Ashtekar, physicien à l'université d'État de Pennsylvanie. "La puissance de la théorie des cordes réside désormais dans le fait qu'elle fournit un ensemble d'outils extrêmement riche, qui ont été largement utilisés dans tout le spectre de la physique." Ashtekar est l'un des pionniers originaux de l'alternative la plus populaire à la théorie des cordes, connue sous le nom de gravité quantique à boucles. Dans la gravité quantique à boucles, l'espace et le temps ne sont pas lisses et continus, comme c'est le cas dans la relativité générale, mais ils sont constitués de composants discrets, ce qu'Ashtekar appelle des "morceaux ou atomes d'espace-temps".

Ces atomes d'espace-temps sont connectés en réseau, avec des surfaces unidimensionnelles et bidimensionnelles qui les réunissent en ce que les praticiens de la gravité quantique à boucle appellent une mousse de spin. Et bien que cette mousse soit limitée à deux dimensions, elle donne naissance à notre monde quadridimensionnel, avec trois dimensions d'espace et une de temps. Ashtekar compare ce monde à un vêtement. "Si vous regardez votre chemise, elle ressemble à une surface bidimensionnelle", dit-il. "Si vous prenez une loupe, vous verrez immédiatement qu'il s'agit de fils unidimensionnels. C'est juste que ces fils sont si denses que, pour des raisons pratiques, vous pouvez considérer la chemise comme une surface bidimensionnelle. De même, l'espace qui nous entoure ressemble à un continuum tridimensionnel. Mais il y a vraiment un entrecroisement par ces [atomes d'espace-temps]".

Bien que la théorie des cordes et la gravité quantique à boucles suggèrent toutes deux que l'espace-temps est émergent, le type d'émergence est différent dans les deux théories. La théorie des cordes suggère que l'espace-temps (ou du moins l'espace) émerge du comportement d'un système apparemment sans rapport, sous forme d'intrication. Pensez à la façon dont les embouteillages émergent des décisions collectives des conducteurs individuels. Les voitures ne sont pas faites de la circulation - ce sont les voitures qui font la circulation. Dans la gravité quantique à boucles, par contre, l'émergence de l'espace-temps ressemble davantage à une dune de sable en pente émergeant du mouvement collectif des grains de sable dans le vent. L'espace-temps lisse et familier provient du comportement collectif de minuscules "grains" d'espace-temps ; comme les dunes, les grains sont toujours du sable, même si les gros grains cristallins n'ont pas l'apparence ou le comportement des dunes ondulantes.

Malgré ces différences, gravité quantique à boucles et  théorie des cordes suggèrent toutes deux que l'espace-temps émerge d'une réalité sous-jacente. Elles ne sont pas non plus les seules théories proposées de la gravité quantique qui vont dans ce sens. La théorie de l'ensemble causal, un autre prétendant à une théorie de la gravité quantique, postule que l'espace et le temps sont également constitués de composants plus fondamentaux. "Il est vraiment frappant de constater que, pour la plupart des théories plausibles de la gravité quantique dont nous disposons, leur message est, en quelque sorte, que l'espace-temps relativiste général n'existe pas au niveau fondamental", déclare Knox. "Les gens sont très enthousiastes lorsque différentes théories de la gravité quantique s'accordent au moins sur quelque chose."

L'AVENIR DE L'ESPACE AUX CONFINS DU TEMPS

La physique moderne est victime de son propre succès. La physique quantique et la relativité générale étant toutes deux d'une précision phénoménale, la gravité quantique n'est nécessaire que pour décrire des situations extrêmes, lorsque des masses énormes sont entassées dans des espaces insondables. Ces conditions n'existent que dans quelques endroits de la nature, comme le centre d'un trou noir, et surtout pas dans les laboratoires de physique, même les plus grands et les plus puissants. Il faudrait un accélérateur de particules de la taille d'une galaxie pour tester directement le comportement de la nature dans des conditions où règne la gravité quantique. Ce manque de données expérimentales directes explique en grande partie pourquoi la recherche d'une théorie de la gravité quantique par les scientifiques a été si longue.

Face à l'absence de preuves, la plupart des physiciens ont placé leurs espoirs dans le ciel. Dans les premiers instants du big bang, l'univers entier était phénoménalement petit et dense - une situation qui exige une gravité quantique pour le décrire. Et des échos de cette époque peuvent subsister dans le ciel aujourd'hui. "Je pense que notre meilleure chance [de tester la gravité quantique] passe par la cosmologie", déclare Maldacena. "Peut-être quelque chose en cosmologie que nous pensons maintenant être imprévisible, qui pourra peut-être être prédit une fois que nous aurons compris la théorie complète, ou une nouvelle chose à laquelle nous n'avions même pas pensé."

Les expériences de laboratoire pourraient toutefois s'avérer utiles pour tester la théorie des cordes, du moins indirectement. Les scientifiques espèrent étudier la correspondance AdS/CFT non pas en sondant l'espace-temps, mais en construisant des systèmes d'atomes fortement intriqués et en observant si un analogue à l'espace-temps et à la gravité apparaît dans leur comportement. De telles expériences pourraient "présenter certaines caractéristiques de la gravité, mais peut-être pas toutes", déclare Maldacena. "Cela dépend aussi de ce que l'on appelle exactement la gravité".

Connaîtrons-nous un jour la véritable nature de l'espace et du temps ? Les données d'observation du ciel ne seront peut-être pas disponibles de sitôt. Les expériences en laboratoire pourraient être un échec. Et comme les philosophes le savent bien, les questions sur la véritable nature de l'espace et du temps sont très anciennes. Ce qui existe "est maintenant tout ensemble, un, continu", disait le philosophe Parménide il y a 2 500 ans. "Tout est plein de ce qui est". Parménide insistait sur le fait que le temps et le changement étaient des illusions, que tout partout était un et le même. Son élève Zénon a créé de célèbres paradoxes pour prouver le point de vue de son professeur, prétendant démontrer que le mouvement sur n'importe quelle distance était impossible. Leurs travaux ont soulevé la question de savoir si le temps et l'espace étaient en quelque sorte illusoires, une perspective troublante qui a hanté la philosophie occidentale pendant plus de deux millénaires.

Le fait que les Grecs de l'Antiquité aient posé des questions telles que "Qu'est-ce que l'espace ?", "Qu'est-ce que le temps ?", "Qu'est-ce que le changement ?" et que nous posions encore des versions de ces questions aujourd'hui signifie qu'il s'agissait des bonnes questions à poser", explique M. Wüthrich. "C'est en réfléchissant à ce genre de questions que nous avons appris beaucoup de choses sur la physique".

Auteur: Becker Adam

Info: Scientific American, février 2022

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