S’échapper d’un trou noir...

S’échapper d’un trou noir, selon Stephen Hawking.

L’éminent physicien affirme qu’il est possible de sortir des trous noirs, colossales entités desquelles rien n’est censé s’échapper. Mais sous une forme a priori bien différente…

«Si vous tombez dans un trou noir, n’abandonnez pas. Il existe un moyen d’en sortir.» Le conseil ne vient pas du script du film Interstellar, mais de l’éminent physicien et mathématicien Stephen Hawking, de l’Université de Cambridge. Il a prononcé ces mots lundi 25 août lors d’un congrès réunissant à Stockholm le gratin des physiciens spécialistes des trous noirs.

Les propos du Britannique, lourdement paralysé par une sclérose latérale amyotrophique, trouvent toujours un certain écho médiatique. Mais cette dernière annonce est sans doute à considérer avec plus d’intérêt que sa récente prise de position sur l’intelligence artificielle ou son engagement pour trouver la vie extraterrestre. Stephen Hawking a en effet bâti toute sa carrière sur les trous noirs, ces objets mystérieux si massifs qu’ils ne laissent rien s’échapper, pas même la lumière.

Que se passe-t-il lorsqu’on pénètre dans un trou noir? La question est à l’origine du «paradoxe de l’information» qui a pris source après un article de Stephen Hawking paru en 1975. Cette année-là, le physicien montre que, contrairement à ce que l’on pense, tout ne reste pas prisonnier des trous noirs: ces ogres cosmiques laissent échapper un rayonnement thermique, un petit flux de particules transportant de l’énergie qu’il nomme le rayonnement de Hawking. Quelles sont donc ces étranges particules capables de s’affranchir de la colossale emprise des trous noirs? La physique relativiste ne peut l’expliquer. D’après elle, puisque la lumière est retenue par les trous noirs, et que rien ne peut aller plus vite, alors rien ne peut s’échapper, fin de l’histoire.

Stephen Hawking s’est en fait basé sur un principe de physique quantique. Dans le vide, des couples de particules de matière et d’antimatière se créent sans cesse de manière spontanée. Ces particules n’ont pas d’existence en tant que telles, car elles s’annihilent simultanément à leur formation. A proximité d’un trou noir, l’attraction gravitationnelle est si intense qu’elle peut, sous certaines conditions bien précises, attirer l’une des deux partenaires vers le centre, l’autre pouvant alors s’échapper… sous forme de rayonnement de Hawking. En conséquence le trou noir, pour compenser, perd de sa masse; on dit qu’il s’évapore.

Ces résultats ont toutefois soulevé plus de problèmes qu’ils n’en ont résolu. Car si les trous noirs s’évaporent peu à peu au lieu de grossir de leur appétit insatiable, alors l’information sur la matière qu’ils ont avalée (la nature des particules, leur vitesse, leur position, etc.) disparaît également. C’est précisément ici que naît le paradoxe de l’information, qui oppose les lois de la relativité générale à celles de la mécanique quantique. Si la première s’accommode parfaitement d’une destruction de l’information, la seconde ne veut pas en entendre parler.

«La perte d’information violerait le principe de déterminisme quantique», confirme l’astrophysicien Stéphane Paltani, de l’Université de Genève. Ce principe stipule en effet que tous les phénomènes de l’Univers doivent être prévisibles, compte tenu des informations de chaque particule. «Le rayonnement de Hawking étant un phénomène complètement aléatoire, il n’avait à l’époque aucun sens d’un point de vue quantique», poursuit l’astrophysicien.

Qu’a dit Stephen Hawking à ce sujet? Issu de l’école relativiste, il a d’abord soutenu que l’information était détruite. Mais une controverse qui l’a opposé à des physiciens de l’école quantique parmi lesquels Leonard Susskind, de l’Université Stanford et le Prix Nobel de physique Gerard ’t Hooft, de l’Université d’Utrecht, l’a poussé en 2004 à reconnaître qu’il avait tort et que l’information est bel et bien conservée lors de l’évaporation des trous noirs.

Loin de clore le dossier, cette capitulation du Britannique a amené les physiciens à se demander ce qu’il advenait de l’information des particules pénétrant dans les trous noirs, et s’il était possible de la récupérer. Diverses hypothèses ont été avancées. Parmi celles-ci, l’information pourrait voyager vers d’autres univers via un «trou de ver». Elle ne serait donc pas détruite, mais simplement perdue pour notre Univers à nous, au profit d’un autre. Ou bien l’information pourrait être stockée à la surface de «l’horizon des événements», autrement dit la frontière virtuelle du trou noir en deçà de laquelle on ne peut plus échapper à son attraction. Une sorte de point de non-retour en quelque sorte. En pénétrant au-delà de cette frontière, sorte de sphère invisible, la matière tridimensionnelle y laisserait une empreinte bidimensionnelle correspondant à ses informations, ce qui rappelle le principe d’un hologramme.

C’est sur cette hypothèse, formulée dans les années 1970 par le physicien israélien Jacob Bekenstein, qu’a communiqué lundi Stephen Hawking. «L’information ne pénètre pas dans le trou noir comme on pourrait s’y attendre, mais dans sa frontière – l’horizon des événements», a déclaré le professeur devant son auditoire. Ce sont les particules du rayonnement de Hawking qui, en s’échappant du trou noir, emporteraient avec elles une partie de cette information. Ces projections de la matière à la surface de l’horizon des événements «contiennent toute l’information qui serait autrement perdue», a-t-il ajouté. Toute l’information? Pas exactement. «Elle ressortirait au compte-gouttes, et sous une forme totalement différente», tempère Stéphane Paltani. Stephen Hawking le reconnaît lui-même: l’information revêtirait «une forme chaotique et inutile» d’un point de vue pratique.

«S’il existe bien une porte de sortie aux trous noirs, alors le déterminisme quantique sera préservé et ces objets poseront beaucoup moins de problème conceptuels aux physiciens», prédit Stéphane Paltani.

Si Stephen Hawking a embrassé l’hypothèse du professeur Bekenstein, qu’a-t-il apporté de nouveau? Rien pour l’instant. On en saura sans doute davantage lorsque son article scientifique – équations à l’appui – sera officiellement publié le mois prochain. Aura-t-on le fin de mot de l’histoire? L’astrophysicien genevois Thierry Courvoisier n’y croit pas. «Ce paradoxe de l’information, à l’interface entre mécanique quantique et relativité générale, ne sera jamais vraiment résolu tant qu’on ne disposera pas d’une théorie qui unifie ces deux cadres.»

Fabien Goubet, pour le journal Le Temps (CH), le 27 août 2015.

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