L’Univers et le paradoxe des trous noirs

Le concept de “trou noir” date de Newton mais fut formalisé au début du XXème grâce à la Relativité d’Einstein. Jusque dans les années 70, le trou noir fut simplement considéré comme un corps suffisamment dense pour empêcher toute forme de matière ou de rayonnement de s’en échapper, d’ou son nom. Si le Soleil se transformait soudainement en trou noir, son rayon ne ferait plus que 3 km, pour une masse identique! L’inimaginable densité de la matière sous cette forme créerait au centre du trou noir une singularité, une zone où les lois de la physiques ne sont plus les mêmes qu’ailleurs. Donc le trou noir pouvait se résumer à une espèce de cul-de-sac intersidéral à sens unique, planqué au coeur des galaxies ou se promenant dans l’Univers.

Arrivent la physique quantique et Stephen Hawking, qui en 1974 démontra qu’un trou noir rayonne malgré tout, le fameux Rayonnement de Hawking. Qui dit rayonnement dit perte d’énergie et il devenait alors possible que les trous noirs s’évaporent avec le temps. Mais là se cache un grave problème associé à la notion d’information, qui selon tout ce que nous pensons savoir aujourd’hui de la nature quantique de l’Univers, ne se perd pas. Dans le modèle pré-Hawking, l’information (sous forme de rayonnement ou de quoi que ce soit) qui arrivait à l’horizon du trou noir s’y retrouvait enfermée pour l’éternité, mais n’était pas perdue pour autant: elle existait toujours sous une forme ou sous une autre à l’intérieur du trou noir. Mais s’il y a évaporation, cela signifie que l’information finira par disparaître avec la disparition du trou noir. Or, l’un des piliers de la physique quantique est que l’information ne disparaît pas. Paradoxe.

Les chercheurs tentent depuis toujours de trouver une réponse à ce paradoxe. On a pensé que l’information se condensait au fur et à mesure de l’évaporation, mais en ce cas des mini-trous noirs devraient se créer très facilement un peu n’importe où, ce qui n’est visiblement pas le cas. On a pensé à des manières qu’aurait trouvé la matière (porteuse d’information) pour s’échapper malgré tout d’un trou noir, mais sans succès. Sauf à reconsidérer la nature de la radiation de Hawking, qui peut-être n’était pas si parfaitement aléatoire (donc, dénuée d’information) que cela. Cette approche fut particulièrement développée en 1997 par Juan Maldacena qui utilisa la théorie des cordes pour montrer que, dans un cadre bien précis au moins, les principes de la physique quantique s’appliquent également à la surface d’un trou noir et donc, l’information ne se perd pas. Cette démonstration semble si puissante que Hawking lui-même, qui avait parié quelques année plus tôt avec le physicien John Preskill que l’information devait disparaître, s’admis vaincu et offrit en 2004 une encyclopédie de baseball à Preskill (qui la compara à un trou noir: lourde et difficile à comprendre).

Mais le paradoxe n’en fut pas résolut pour autant, et Hawking pourrait bien demander un de ces jours qu’on lui rende son encyclopédie. En effet, si l’information est conservée (donc, capable de s’échapper du trou noir), il y a un coût associé qui pose lui-même problème.  Pour comprendre cette question il est d’abord nécessaire de revisiter le principe fondamental d’ntrication quantique.

Deux particules (ou systèmes) placés en état d’intrication quantique sont corrélés indépendamment de la distance qui les sépare. On peut dire que ces deux systèmes sont deux facettes d’un même super-système qui est définit par une “fonction d’onde” elle-même réversible dans l’espace comme dans le temps. L’état intriqué existe à partir du moment ou ces deux particules ou systèmes ont une origine commune, par exemple le résultat d’une collision. Ce concept est à la base de développements tels l’ordinateur quantique ou la cryptographie quantique, ce n’est donc pas une théorie mais la description d’une réalité observable. De plus l’intrication est monogame (une particule ne peut pas faire partie de deux système en même temps).

Cela acquis, imaginons deux particules intriquées, Alice et Bob, qui s’approchent d’un trou noir. Alice décide d’y plonger, Bob observant de l’extérieur. Que se passe t’il? Selon les postulats généralement acceptés, il se passe trois choses: l’intrication entre Alice et Bob est maintenue (postulat de la conservation de l’information), Bob ne peut pas recopier toute l’information relative à Alice avant qu’elle ne disparaisse (principe de l’impossibilité du clonage quantique), et Alice tombe “normalement” vers le trou noir (principe d’équivalence, abordé dans ce précédent billet)

Mais, Hawking a démontré que si l’information est effectivement conservée (et donc, l’intrication entre Alice et Bob est maintenue), les particules sous l’horizon du trou noir grimpent vers des niveaux énergétiques très élevés dès que de l’information est transférée vers leur partenaire extérieur. Donc selon ce modèle, le trou noir est entouré sous son horizon d’un cercle de feu (firewall) impassable avec une température de 10EXP32 kelvin, carbonisant toute matière s’y aventurant!

Cette idée de barbecue cosmique dérange la communauté des physiciens, et pourtant il n’y a pas de solution évidente: soit on accepte la perte de l’information et Alice disparaît tranquillement (et on remet en cause la physique quantique) soit on reconnaît que l’information ne disparaît pas mais on accepte le barbecue.

Ce problème amena un groupe de chercheurs (dont Giddings, Polchinski, Marolf), après avoir tenté sans succès de se débarrasser du barbecue, à revoir les postulats initiaux et ils publièrent en juillet dernier un papier démontrant que les trois postulats ci-dessus ne peuvent être vrais en même temps. Coup de tonnerre dans le petit monde de la physique théorique! Mais pas si surprenant que cela car cette démonstration ne fait que remettre sur le tapis le problème de l’incompatibilité entre le modèle quantique et le modèle relativiste. En effet le principe d’équivalence est issu du modèle relativiste d’Einstein, les deux autres du modèle quantique et l’on sait que ces deux modèles ne s’accordent pas sur la question de la gravité – élément central du phénomène du trou noir.

Si la relativité est correcte, il ne peut pas y avoir de barbecue (l’horizon du trou noir est constitué d’espace-temps normal), et donc la radiation de Hawking ne contient pas d’information, donc l’information est perdue, donc il faut revoir la physique quantique. A l’inverse, si l’horizon du trou noir représente une frontière physique (un barbecue ou autre chose permettant de maintenir les fondements quantiques) il faut revoir la relativité.

Ce paradoxe taraude de nombreux chercheurs et les oblige à reconsidérer en détail un certain nombre d’hypothèses. Le grand Leonard Susskind, par exemple, se demande si la singularité supposée située au coeur du trou noir ne migrerait pas vers son horizon, affectant ainsi dramatiquement toute matière y pénétrant. Autre version, l’espace-temps se terminerait à l’horizon du trou noir, et rien n’existerait à l’intérieur. Ou le principe que rien ne peut aller plus vite que la lumière n’est pas universel (ce qui permettrait une communication entre l’intérieur et l’extérieur du trou noir via l’horizon). Ou que l’on a tout faux, que la gravité n’existe pas et qu’il faut trouver autre chose.

Susskind et Maldacena, entre autres, ont également travaillé sur le principe holographique,  une approche spéculative considérant que la notion de volume est une illusion et que les lois physiques fondamentales agissent au niveau des surfaces. Cette approche très riche et stimulante a été décrite sur ce blog dans cet article notamment.

Comme le dit Preskill, “toutes les options sont folles, et c’est ce qui rend la situation si formidable“.

 

Sources:

Simons Fondation

New Scientist

 

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