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Hawking et la météo du trou noir

Les trous noirs sont à l'affiche. Un récent article à leur sujet de Stephen Hawking, le célèbre physicien de Cambridge, a fait quelque bruit dans la communauté des physiciens et nous devons nous résoudre à admettre que nous ne comprenons pas vraiment la nature de ces objets.
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Les trous noirs sont à l'affiche. Un récent article à leur sujet de Stephen Hawking, le célèbre physicien de Cambridge, a fait quelque bruit dans la communauté des physiciens et nous devons nous résoudre à admettre que nous ne comprenons pas vraiment la nature de ces objets.

Rien d'étonnant car un trou noir représente une situation exceptionnelle où, tout à la fois, interviennent une influence gravitationnelle intense et des effets quantiques. Précisément le genre de circonstances en face desquelles notre physique actuelle reste impuissante! Depuis maintenant près d'un siècle, les physiciens essayent en effet de réconcilier les deux aspects, gravitationnel et quantique, de la physique, sans succès jusqu'à aujourd'hui. Et si les trous noirs excitent tellement les physiciens, c'est qu'ils constituent le seul "laboratoire" permettant de tester (même si ce n'est que de façon virtuelle) leurs idées à ce sujet.

Ce fut Hawking, précisément, qui a apporté une contribution déterminante à ce sujet. Il a suggéré que les effets quantiques dans l'environnement du trou noir devaient entrainer que ce dernier émette du rayonnement, à la manière d'un objet usuel porté à fore température. Et il a même suggéré que l'on puisse associer une température à un trou noir. Tout ceci n'est pas démontré car nous ne disposons pas d'une théorie physique fiable qui s'applique dans ces conditions. Mais la cohérence des résultats de Hawking, notamment l'analogie qu'ils suggèrent entre le comportement des trous noirs et la thermodynamique, ont entrainé l'enthousiasme de la communauté scientifique qui leur a accordé un grand crédit et un grand intérêt. A force d'émettre ce rayonnement, le trou noir doit s'évaporer. Mais tout ceci laisse subsister de nombreux problèmes, qui manifestent l'incompatibilité entre relativité générale - notre théorie de la gravitation aujourd'hui- et physique quantique (Au-delà de l'espace et du temps: la nouvelle physique, M. Lachièze-Rey, éd. Le Pommier 2008).

L'un de ces problèmes est lié à la notion d'information (ou d'entropie, qui lui est reliée). Un trou noir avale tout ce qui passe à sa portée, y compris bien entendu des objets auxquels on peut associer de l'information: une encyclopédie, votre Smartphone avec la liste de tous vos contacts. On sait que la NSA avale également (mais d'une autre manière) ce genre d'informations; elle les stocke et peut y avoir accès à tout moment. Mais puisque rien ne peut sortir du trou noir, l'information qu'il avale est inaccessible et semble définitivement perdue. Mais les physiciens ont toujours pensé que rien ne se perd, rien ne se crée, et en particulier l'information.

Perdue ou non? C'est la question qui divise la communauté des physiciens. En 1997, Hawking défendait l'idée que l'information est définitivement perdue (dans le langage de la physique quantique, cela se formule en termes de perte d'unitarité). Faute de pouvoir le démontrer, il avait conçu un pari avec son collègue John Preskill (de l'université Caltech en Californie), ce qui avait déjà fait un certain bruit dans la communauté. Mais en 2004 il est revenu sur la question, reconnaissant qu'il admettait finalement les arguments de son adversaire; à qui il remit l'enjeu du pari...une encyclopédie.

Mais la question n'est toujours pas considérée comme réglée : le rayonnement de Hawking ne pourrait il pas, par exemple, restituer cette information d'une manière qui serait accessible à un observateur extérieur? C'est dans ce contexte que le physicien Joseph Polchinski (avec quelques collègues) avait émis en mars 2012 une nouvelle suggestion, en déclarant qu'un éventuel observateur qui s'approcherait (en chute libre) du trou noir rencontrerait un véritable "mur de feu" auquel il n'aurait aucune chance de résister.

L'idée est loin de faire l'unanimité chez les physiciens mais elle a relancé le débat. C'est pour s'y opposer que Hawking a récemment pris la plume, en présentant plusieurs arguments. Le plus simple et le plus convaincant énonce que l'existence d'un mur de feu contredirait un des principes les plus fondamentaux de la relativité générale: le principe d'équivalence. Dans cette situation, ce dernier implique qu'un observateur en chute vers le trou noir ne devrait subir aucun effet remarquable, en dehors des effets de marée créés par l'intense gravité du trou noir.

Certes, personne ne s'attend à ce que toutes les prédictions de la théorie de la relativité générale soient vérifiées aux abords du trou noir; puisque précisément nous cherchons une nouvelle théorie (par exemple de gravité quantique) qui devrait la remplacer dans de telles circonstances. Mais ce principe semble tellement fondamental que de nombreux physiciens (dont Hawking) estiment qu'il doit rester valable. Hawking ajoute en outre que le mur de feu violerait un autre principe -celui de l'invariance CPT- que les physiciens estiment également de portée universelle.

Quant à l'information avalée par le trou noir, il suggère qu'elle ne serait pas vraiment perdue; mais plutôt dispersée d'une manière chaotique telle qu'il serait impossible en pratique de la reconstituer. Il utilise une analogie météorologique: toute l'information sur le temps qu'il fera demain est bien là, codée dans la distribution des températures, humidité, pressions, en divers points de notre globe; mais d'une manière tellement dispersée qu'elle nous est inaccessible pour faire des prédictions à long terme.

Quoi qu'il en soit, le débat continue. Son intérêt est qu'il oblige les physiciens à réfléchir sur les fondations de ces deux piliers de la physique actuelle que constituent la relativité générale et la physique quantique. Il est certain que les deux n'en sortiront pas indemnes.

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