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Publié par Scientifique

Comment les trous noirs peuvent à la fois exister et ne pas exister

Quand Stephen Hawkins et d'autres affirment que «les trous noirs n'existent pas», que veulent-ils dire? Ce débat d'astrophysiciens n'est pas qu'un débat de scientifiques: il éclaire non seulement notre progression en science, mais aussi le chemin qu'il nous reste à parcourir.

Les trous noirs n'existent pas: c'est la nouvelle marotte de certains scientifiques, parmi les rares sur la planète à maîtriser les subtilités de ces entités fascinantes. Le célèbre physicien britannique Stephen Hawking lui-même est de la partie, puisqu'il balançait dès janvier dernier cette assertion choc, largement relayée par les médias. Et reprise ces dernières semaines par une de ses consoeurs.

Pourtant, à l'occasion d'un article sur les dix commandements du trou noir, l'astrophysicien français Jean-Pierre Luminet, qui connaît Hawking –tout comme «ses déclarations fracassantes»–, nous confiait que «les trous noirs [n'étaient] plus spéculatifs en astrophysique aujourd'hui».

Alors existe? Ou n'existe pas? On vous explique la dernière prise de tête des astrophysiciens qui, loin d'être une chicanerie de spécialistes, illustre à la fois jusqu'où nous sommes arrivés en matière de connaissance, mais également le chemin qu'il nous reste à parcourir. Et explique aussi très bien, au passage, pourquoi les scientifiques recherchent désespérement à rattacher par les deux bouts les lois de la physique actuelles en une théorie unifiée, sorte de Graal de la science.

Les trous noirs existent... mais peut-être pas comme on l'entendait jusque-là

Aujourd'hui en effet, deux grands pans de la physique s'ignorent encore: celle du gigantesque (la théorie de la relativité générale, que l'on doit en grande partie à Einstein) et celle du minuscule, des atomes, des particules (la théorie quantique).

Grâce à tout ça, néanmoins, l'humanité (enfin, quelques-uns de ses illustres représentants à gros cerveau) a réussi à formuler des hypothèses sur tout un tas de choses incroyables, telles que l'existence des trous noirs, ces machins cosmiques si denses qu'ils attirent et retiennent tout dans leur giron: matière, lumière –tout. Et a même réussi à en observer, du moins indirectement, comme nous vous l'expliquions il y a quelques jours.

Jusqu'à se poser une question bien précise, d'où part tout le débat, comme l'explique Stéphane Corbel, professeur à l’université Paris Diderot et membre du laboratoire AIM d'astrophysique: quelle information est-il possible de récupérer d'un trou noir?

«Si je brûle un livre, normalement, les cendres me permettent de savoir que du papier a brûlé... mais dans le cas du trou noir?»

«Pour la physique quantique, répond Jean-Pierre Luminet, l’information ne peut pas être perdue.» Pour Hawking en revanche, et la théorie classique, «une partie de celle-ci est irrémédiablement perdue».

Il en était tellement convaincu qu'il en a même fait le pari en 1997 –pratique apparemment commune chez Hawking. Associé à Kip Thorne, autre célèbre astrophysicien qui vient notamment d'épauler Christopher Nolan pour la mise en scène d'un trou noir dans son nouveau film Interstellar, Hawking a défié John Preskill, spécialiste des particules, qui maintenait pour sa part que l'information ne pouvait être perdue.

Jusqu'à avouer sa défaite en 2004, comme le raconte très bien John Preskill lui-même sur son site, et d'enfoncer encore davantage le clou cette année, avec sa fameuse affirmation «les trous noirs n'existent pas». Par laquelle Hawking ne nie donc ni les trous noirs eux-mêmes, ni le travail d'une vie, mais la définition classique des trous noirs, au sens de la relativité générale. En faisant au passage un peu son troll, comme il l'a déjà fait par le passé –en annonçant par exemple une apocalypse provoquée par un virus mortel ou par le boson de Higgs.

Pas un gigantesque séisme donc pour le commun des mortels, mais un sacré chamboulement tout de même pour la science, dans lequel Hawking admet, comme il l'explicitait alors à Nature, qu'au lieu de tout détruire, le trou noir «retient seulement temporairement la matière et l'énergie prisonnières avant d'éventuellement les relâcher [...]».

Une théorie pour les unifier toutes: la gravité quantique à boucles?

Là où la pseudo-polémique devient intéressante, c'est que pour être parfaitement expliqué, ce processus nécessiterait une théorie unifiant relativité générale et quantique: une... gravité quantique! «Un but qui échappe aux physiciens depuis presque un siècle», regrette encore Hawking dans Nature, qui précisait néanmoins, dans Petite histoire de l'univers, que si cette théorie n'a pas été élaborée, «nous connaissons avec certitude les caractéristiques [qu'elle] devrait posséder.»

Ce qui fait que plusieurs pistes ont déjà été creusées. Parmi elles, deux s'opposent particulièrement, la théorie des cordes, dont vous avez peut-être déjà entendu parler, et une autre, que Jean-Pierre Luminet juge prometteuse:

«La théorie de la gravité quantique à boucles

Qui permettrait de «quantifier la gravité, poursuit le spécialiste, en disant que l'espace et le temps sont, en gros, des particules».

Des «"grains" d'espace», ajoute un article de La Recherche, qui explique la genèse de cette théorie à boucles, grâce auxquels l'univers deviendrait «une sorte de gigantesque "lego" composé de volumes élémentaires certes minuscules, mais insécables».

De la physique à la métaphysique

Au-delà du côté ludique, la théorie de la gravitation à boucles permettrait non seulement d'unifier la physique mais aussi de mieux expliquer les trous noirs, aujourd'hui réduits à une «absurdité», d'un point de vue physique: ce que la science appelle une «singularité», un «point de courbure infini d’espace et de temps». Dont les chercheurs essaieraient aujourd'hui de se débarrasser, poursuit Jean-Pierre Luminet:

«Au cours de l'histoire, on a au fur et à mesure supprimé les singularités des théories car elles émergent quand des quantités infinies apparaissent. Quand ça arrive, on se dit que c’est bizarre, qu’il y a un problème avec la théorie car la physique veut que tout soit calculable.»

La singularité est en somme une sorte d'aménagement conceptuel, que l'on retrouvait par exemple, avant qu'elle en soit écartée, dans les premiers modèles sur l'atome, au début du XXe siècle. Cela ne signifie pas qu'elle n'existe pas à coup sûr, tout comme il n'est pas encore absolument certain que les trous noirs existent. Cela veut simplement dire que l'histoire des sciences, dans le cas des singularités comme des trous noirs, tend à dégommer les premières et à conserver les seconds.

«Cela fait trente ans que je vois passer des arguments (généralement pas publiables) réfutant pour une raison ou une autre l'existence des trous noirs. Aucun n'a tenu», nous expliquait ainsi Jean-Pierre Luminet, dont nous sollicitions l'avis après une nouvelle publication scientifique niant l'existence des trous noirs en septembre dernier, qu'il juge truffée d'erreurs. Le scientifique nous assurait alors ne pas croire «dur comme fer» en ces entités cosmiques, malgré ses années de travail. Mais simplement attendre, avant de s'en départir, une preuve tangible capable de les remplacer, ainsi que bien d'autres phénomènes spatiaux, tels que le Big Bang ou la déviation de la lumière.

Au passage, il n'y a pas que les trous noirs qui sont concernés par une singularité. On retrouve aussi cette aberration physique à l'origine même de l'univers, et du Big Bang dont serait partie, selon la théorie communément admise aujourd'hui, l'inflation cosmique. S'en débarrasser, en unifiant la physique, n'aurait pas uniquement des conséquences pour la science.

A en croire Stephen Hawking, toujours dans Petite histoire de l'univers, cet acte reposerait tout simplement la question de Dieu. Car «tant que l'univers débute à une singularité, on peut supposer qu'il a été créé par une entité extérieure». Mais sans ce point aux caractéristiques infinies, l'univers «est, tout simplement»: «Et dans ce cas, quelle serait la place de Dieu?»

Andréa Fradin

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