Le physicien mathématicien et cosmologiste Stephen Hawking était surtout connu pour ses travaux explorant la relation entre les trous noirs et la physique quantique.
Un trou noir est le vestige d’une étoile supermassive mourante qui s’est repliée sur elle-même ; ces vestiges se contractent à une taille si petite que la gravité est si forte que même la lumière ne peut s’en échapper.
Les trous noirs occupent une place importante dans l’imaginaire populaire – les écoliers se demandent pourquoi l’univers entier ne s’effondre pas en un seul. Mais le travail théorique minutieux de Hawking a permis de combler certains des trous dans les connaissances des physiciens sur les trous noirs.
Pourquoi les trous noirs existent-ils ?
La réponse courte est la suivante : parce que la gravité existe et que la vitesse de la lumière n’est pas infinie.
Imaginez que vous vous tenez à la surface de la Terre et que vous tirez une balle en l’air avec un angle. Votre balle standard redescendra, quelque part plus loin.
Supposons que vous ayez un fusil très puissant. Vous pouvez alors tirer la balle à une vitesse telle qu’au lieu de retomber au loin, elle va “manquer” la Terre. En tombant continuellement et en manquant continuellement la surface, la balle sera en fait en orbite autour de la Terre.
Si votre fusil est encore plus puissant, la balle peut être si rapide qu’elle quitte complètement la gravité de la Terre. C’est essentiellement ce qui se passe lorsque nous envoyons des fusées vers Mars, par exemple.
Imaginez maintenant que la gravité soit beaucoup, beaucoup plus forte. Aucun fusil ne pourrait accélérer suffisamment les balles pour quitter cette planète, alors vous décidez de tirer de la lumière.
Bien que les photons (les particules de lumière) n’aient pas de masse, ils sont tout de même influencés par la gravité, qui déforme leur trajectoire tout comme la trajectoire d’une balle est déformée par la gravité. Même la plus lourde des planètes n’aura pas une gravité assez forte pour dévier suffisamment la trajectoire du photon pour l’empêcher de s’échapper.
Mais les trous noirs ne sont pas des planètes ou des étoiles, ce sont les restes d’étoiles, entassés dans la plus petite des sphères, disons de quelques kilomètres de rayon.
Imaginez que vous puissiez vous tenir à la surface d’un trou noir, armé de votre pistolet laser. Vous tirez vers le haut en formant un angle et vous remarquez que le rayon lumineux s’incurve, redescend et manque la surface ! Le rayon se trouve maintenant en “orbite” autour du trou noir, à une distance approximative que les cosmologistes appellent le rayon de Schwarzschild, le “point de non-retour”
Ainsi, comme même la lumière ne peut s’échapper de l’endroit où vous vous trouvez, l’objet que vous habitez (si vous le pouviez) semblerait complètement noir pour quelqu’un qui le regarde de loin : un trou noir.
Mais Hawking a découvert que les trous noirs ne sont pas complètement noirs ?
La réponse courte est : oui.
Ma précédente description des trous noirs utilisait le langage de la physique classique – en gros, la théorie de Newton appliquée à la lumière. Mais les lois de la physique sont en fait plus compliquées parce que l’univers est plus compliqué.
En physique classique, le mot “vide” signifie l’absence totale et complète de toute forme de matière ou de rayonnement.
Mais en physique quantique, le vide est beaucoup plus intéressant, en particulier lorsqu’il se trouve à proximité d’un trou noir. Au lieu d’être vide, le vide regorge de paires de particules et d’antiparticules qui sont créées de façon éphémère par l’énergie du vide, mais qui doivent s’annihiler peu après et rendre leur énergie au vide.
Vous trouverez toutes sortes de paires particule-antiparticule produites, mais les plus lourdes se produisent beaucoup plus rarement. Il est plus facile de produire des paires de photons car ils n’ont pas de masse. Les photons doivent toujours être produits par paires afin qu’ils s’éloignent les uns des autres et ne violent pas la loi de conservation de la quantité de mouvement.
(SubstituteR/Wikimedia/CC BY-SA)
Imaginez maintenant qu’une paire soit créée juste à la distance du centre du trou noir où circule le “dernier rayon lumineux” : le rayon de Schwarzschild. Cette distance peut être éloignée ou proche de la surface, en fonction de la masse du trou noir.
Imaginez que la paire de photons soit créée de telle sorte que l’un des deux soit dirigé vers l’intérieur – vers vous, au centre du trou noir, en tenant votre pistolet laser. L’autre photon est dirigé vers l’extérieur.
(À propos, vous seriez probablement écrasé par la gravité si vous essayiez cette manœuvre, mais supposons que vous êtes surhumain)
Il y a maintenant un problème : le photon qui s’est déplacé à l’intérieur du trou noir ne peut pas en ressortir, car il se déplace déjà à la vitesse de la lumière.
La paire de photons ne peut pas s’annihiler à nouveau et rendre son énergie au vide qui entoure le trou noir. Mais quelqu’un doit payer la note, et ce sera le trou noir lui-même.
Après avoir accueilli le photon dans sa terre de non-retour, le trou noir doit restituer une partie de sa masse à l’univers : exactement la même quantité de masse que l’énergie que la paire de photons a “empruntée”, selon la célèbre équation d’Einstein E=mc².
C’est essentiellement ce que Hawking a démontré mathématiquement. Le photon qui quitte l’horizon du trou noir donne l’impression que celui-ci émet une faible lueur : le rayonnement Hawking, qui porte son nom.
En même temps, il pensait que si cela se produisait souvent et pendant longtemps, le trou noir pourrait perdre tellement de masse qu’il pourrait disparaître complètement (ou plus précisément, redevenir visible).
Les trous noirs font-ils disparaître l’information pour toujours ?
Réponse courte : Non, ce serait contraire à la loi.
De nombreux physiciens ont commencé à s’inquiéter de cette question peu après la découverte de la lueur par Hawking. L’inquiétude est la suivante : Les lois fondamentales de la physique garantissent que tout processus qui se produit “en avant dans le temps”, peut également se produire “en arrière dans le temps”
Cela semble aller à l’encontre de notre intuition, selon laquelle un melon qui a éclaboussé le sol ne se reconstituerait jamais comme par magie.
Mais ce qui arrive aux gros objets comme les melons est en fait dicté par les lois de la statistique. Pour que le melon se reconstitue, il faudrait que plusieurs gazillions de particules atomiques fassent la même chose à l’envers, et la probabilité que cela se produise est essentiellement nulle. Mais pour une seule particule, ce n’est pas un problème du tout.
Ainsi, pour les choses atomiques, tout ce que vous observez à l’avant pourrait tout aussi bien se produire à l’arrière.
Imaginez maintenant que vous envoyez l’un des deux photons dans le trou noir. Ils ne diffèrent que par un repère que nous pouvons mesurer, mais qui n’affecte pas l’énergie du photon (on appelle cela une “polarisation”).
Appelons-les “photons de gauche” ou “photons de droite” Après que le photon gauche ou droit a traversé l’horizon, le trou noir change (il a maintenant plus d’énergie), mais il change de la même manière, que le photon gauche ou droit ait été absorbé.
Deux histoires différentes sont maintenant devenues un seul avenir, et cet avenir ne peut pas être inversé : comment les lois de la physique sauraient-elles lequel des deux passés choisir ? Le gauche ou le droit ? C’est la violation de l’invariance temporelle. Cette loi exige que chaque passé ait exactement un futur, et chaque futur exactement un passé.
Certains physiciens ont pensé que le rayonnement de Hawking portait peut-être une empreinte de gauche/droite afin de donner à un observateur extérieur un indice de ce qu’était le passé, mais non. Le rayonnement de Hawking provient de ce vide vacillant qui entoure le trou noir, et n’a rien à voir avec ce que vous y jetez.
Tout semble perdu, mais pas si vite.
En 1917, Albert Einstein a démontré que la matière (et même le vide qui la côtoie) réagit réellement aux éléments qui l’entourent, d’une manière très particulière. Le vide à côté de cette matière est “chatouillé” pour produire une paire particule-antiparticule qui ressemble à une copie exacte de ce qui vient d’arriver.
Dans un sens très réel, la particule entrante stimule la matière pour créer une paire de copies d’elle-même – en fait une copie et une anti-copie. Rappelez-vous, des paires aléatoires de particules et d’antiparticules sont créées dans le vide en permanence, mais les paires chatouilleuses ne sont pas du tout aléatoires : Elles ressemblent exactement au chatouilleur.
Ce processus de copie est connu sous le nom d’effet d'”émission stimulée” et est à l’origine de tous les lasers. La lueur de Hawking des trous noirs, quant à elle, n’est que ce qu’Einstein appelait l’effet d'”émission spontanée”, se produisant à proximité d’un trou noir.
Imaginez maintenant que le chatouillement crée cette copie, de sorte que le photon gauche chatouille une paire de photons gauche, et que le photon droit donne une paire de photons droite.
Comme l’un des partenaires des paires chatouillées doit rester à l’extérieur du trou noir (toujours en raison de la conservation de la quantité de mouvement), cette particule crée la “mémoire” nécessaire à la préservation de l’information : Un passé n’a qu’un seul avenir, le temps peut être inversé, et les lois de la physique sont sauves.
cette découverte a été faite le jour de l’anniversaire d’Einstein, dont la théorie de la lumière – il se trouve qu’elle sauve la théorie des trous noirs de Hawking.