L’étrange destin d’une personne tombant dans un trou noir

Ce reportage a été le plus lu sur BBC Earth en 2015. Voici une nouvelle chance de le lire.

Cela peut arriver à n’importe qui. Peut-être êtes-vous en train d’essayer de trouver une nouvelle planète habitable pour la race humaine, ou peut-être êtes-vous simplement en train de faire une longue promenade et vous glissez. Quelles que soient les circonstances, nous nous retrouvons tous, à un moment ou à un autre, confrontés à la sempiternelle question : que se passe-t-il lorsque vous tombez dans un trou noir ?

Vous pourriez vous attendre à être écrasé, ou peut-être mis en pièces. Mais la réalité est plus étrange que cela.

À l’instant où vous entrez dans le trou noir, la réalité se scinderait en deux. Dans l’une, vous seriez instantanément incinéré, et dans l’autre, vous plongeriez dans le trou noir totalement indemne.

Un trou noir est un endroit où les lois de la physique telles que nous les connaissons s’effondrent. Einstein nous a appris que la gravité déforme l’espace lui-même, le faisant se courber. Ainsi, étant donné un objet suffisamment dense, l’espace-temps peut devenir si déformé qu’il se tord sur lui-même, creusant un trou dans le tissu même de la réalité.

Une étoile massive qui a épuisé son combustible peut produire le genre de densité extrême nécessaire pour créer un tel morceau de monde mutilé. Lorsqu’elle plie sous son propre poids et s’effondre vers l’intérieur, l’espace-temps s’effondre avec elle. Le champ gravitationnel devient si fort que même la lumière ne peut s’en échapper, rendant la région où se trouvait l’étoile profondément sombre : un trou noir.

A mesure que l’on s’enfonce dans le trou noir, l’espace devient de plus en plus sinueux

La limite extérieure du trou est son horizon des événements, le point où la force gravitationnelle contrecarre précisément les efforts de la lumière pour s’en échapper. Si l’on s’en approche, il n’y a plus d’échappatoire possible.

L’horizon des événements est embrasé d’énergie. Les effets quantiques au bord créent des flux de particules chaudes qui rayonnent dans l’univers. C’est ce qu’on appelle le rayonnement de Hawking, du nom du physicien Stephen Hawking, qui l’a prédit. Avec suffisamment de temps, le trou noir rayonnera sa masse, et disparaîtra.

A mesure que l’on s’enfonce dans le trou noir, l’espace devient de plus en plus courbe jusqu’à ce que, au centre, il devienne infiniment courbe. C’est la singularité. L’espace et le temps cessent d’être des idées significatives, et les lois de la physique telles que nous les connaissons – qui toutes nécessitent de l’espace et du temps – ne s’appliquent plus.

Que se passe-t-il ici, personne ne le sait. Un autre univers ? L’oubli ? L’arrière d’une bibliothèque ? C’est un mystère.

Alors, que se passe-t-il si vous tombez accidentellement dans l’une de ces aberrations cosmiques ? Commençons par demander à votre compagne de l’espace – nous l’appellerons Anne – qui vous regarde avec horreur plonger vers le trou noir, tandis qu’elle reste en sécurité à l’extérieur. De là où elle flotte, les choses vont devenir bizarres.

Alors que vous accélérez vers l’horizon des événements, Anne vous voit vous étirer et vous contorsionner, comme si elle vous voyait à travers une loupe géante. Qui plus est, plus vous vous rapprochez de l’horizon, plus vous semblez vous déplacer au ralenti.

Avant même de traverser l’obscurité du trou noir, vous êtes réduit en cendres

Vous ne pouvez pas lui crier, car il n’y a pas d’air dans l’espace, mais vous pouvez essayer de lui envoyer un message en morse avec la lumière de votre iPhone (il existe une application pour cela). Cependant, vos mots lui parviennent de plus en plus lentement, les ondes lumineuses s’étirant vers des fréquences de plus en plus basses et rouges : « Alright, a l r i g h t, a l r i… »

Quand vous atteignez l’horizon, Anne vous voit vous figer, comme si quelqu’un avait appuyé sur le bouton pause. Vous restez plâtré, immobile, étiré à la surface de l’horizon alors qu’une chaleur croissante commence à vous engloutir.

Selon Anne, vous êtes lentement oblitéré par l’étirement de l’espace, l’arrêt du temps et les feux du rayonnement de Hawking. Avant même de traverser l’obscurité du trou noir, vous êtes réduit en cendres.

Mais avant de planifier vos funérailles, oublions Anne et voyons cette scène macabre de votre point de vue. Maintenant, quelque chose d’encore plus étrange se produit : rien.

Vous naviguez directement vers la destination la plus sinistre de la nature sans même une bosse ou une secousse – et certainement sans étirement, ralentissement ou radiation brûlante. C’est parce que vous êtes en chute libre, et que vous ne ressentez donc aucune gravité : ce qu’Einstein appelait sa « pensée la plus heureuse ».

Dans un trou noir suffisamment grand, vous pourriez vivre le reste de votre vie assez normalement

Après tout, l’horizon des événements n’est pas comme un mur de briques flottant dans l’espace. C’est un artefact de la perspective. Un observateur qui reste à l’extérieur du trou noir ne peut pas voir à travers, mais ce n’est pas votre problème. En ce qui vous concerne, il n’y a pas d’horizon.

Sûr, si le trou noir était plus petit, vous auriez un problème. La force de gravité serait beaucoup plus forte à vos pieds qu’à votre tête, vous étirant comme un morceau de spaghetti. Mais heureusement pour vous, il s’agit d’un grand, des millions de fois plus massif que notre Soleil, de sorte que les forces qui pourraient vous spaghettiser sont assez faibles pour être ignorées.

En fait, dans un trou noir suffisamment grand, vous pourriez vivre le reste de votre vie assez normalement avant de mourir à la singularité.

Comment pourrait-elle être vraiment normale, vous pourriez vous demander, étant donné que vous êtes aspiré vers une rupture du continuum espace-temps, entraîné contre votre volonté, incapable de faire demi-tour ?

Vous ne pouvez pas faire demi-tour et échapper au trou noir

Mais quand on y pense, nous connaissons tous cette sensation, non pas de par notre expérience de l’espace mais du temps. Le temps ne fait qu’avancer, jamais reculer, et il nous entraîne contre notre volonté, nous empêchant de faire demi-tour.

Ce n’est pas qu’une simple analogie. Les trous noirs déforment l’espace et le temps à un point tel qu’à l’intérieur de l’horizon du trou noir, l’espace et le temps échangent réellement leurs rôles. En un sens, c’est vraiment le temps qui vous attire vers la singularité. Vous ne pouvez pas faire demi-tour et échapper au trou noir, pas plus que vous ne pouvez faire demi-tour et voyager dans le passé.

À ce stade, vous pourriez vouloir vous arrêter et vous poser une question pressante : Qu’est-ce qui ne va pas chez Anne ? Si vous êtes au frais à l’intérieur du trou noir, entouré de rien de plus bizarre que l’espace vide, pourquoi insiste-t-elle pour dire que vous avez été brûlé vif par des radiations à l’extérieur de l’horizon ? Est-ce qu’elle hallucine ?

En fait, Anne est parfaitement raisonnable. De son point de vue, vous avez réellement été brûlé vif à l’horizon. Ce n’est pas une illusion. Elle pourrait même recueillir vos cendres et les renvoyer à vos proches.

En fait, les lois de la nature exigent que vous restiez à l’extérieur du trou noir vu du point de vue d’Anne. C’est parce que la physique quantique exige que l’information ne puisse jamais être perdue. Chaque bit d’information qui rend compte de votre existence doit rester à l’extérieur de l’horizon, de peur que les lois de la physique d’Anne ne soient violées.

Vous devez être à deux endroits, mais il ne peut y avoir qu’une seule copie de vous

D’autre part, les lois de la physique exigent également que vous naviguiez à travers l’horizon sans rencontrer de particules chaudes ou quoi que ce soit qui sorte de l’ordinaire. Sinon, vous seriez en violation de la pensée la plus heureuse d’Einstein, et de sa théorie de la relativité générale.

Donc les lois de la physique exigent que vous soyez à la fois à l’extérieur du trou noir dans un tas de cendres et à l’intérieur du trou noir vivant et bien portant. Enfin, il y a une troisième loi de la physique qui dit que l’information ne peut pas être clonée. Vous devez être à deux endroits, mais il ne peut y avoir qu’une seule copie de vous.

D’une manière ou d’une autre, les lois de la physique nous orientent vers une conclusion qui semble plutôt insensée. Les physiciens appellent cette énigme exaspérante le paradoxe de l’information du trou noir. Heureusement, dans les années 1990, ils ont trouvé un moyen de le résoudre.

Leonard Susskind a réalisé qu’il n’y a pas de paradoxe, car aucune personne ne voit jamais votre clone. Anne ne voit qu’une seule copie de vous. Vous ne voyez qu’une seule copie de vous. Vous et Anne ne pouvez jamais comparer vos notes. Et il n’y a pas de troisième observateur qui puisse voir simultanément l’intérieur et l’extérieur d’un trou noir. Donc, aucune loi de la physique n’est enfreinte.

La réalité dépend de la personne à qui vous la demandez

Sauf si, c’est-à-dire, vous exigez de savoir quelle histoire est vraiment vraie. Êtes-vous vraiment mort ou êtes-vous vraiment vivant ?

Le grand secret que les trous noirs nous ont révélé est qu’il n’y a pas de vraiment. La réalité dépend de la personne à qui vous la demandez. Il y a la réalité d’Anne et il y a votre réalité. Fin de l’histoire.

Enfin, presque. Au cours de l’été 2012, les physiciens Ahmed Almheiri, Donald Marolf, Joe Polchinski et James Sully, collectivement connus sous le nom de AMPS, ont conçu une expérience de pensée qui menaçait de bouleverser tout ce que nous pensions savoir sur les trous noirs.

Ils ont réalisé que la solution de Susskind s’articulait sur le fait que tout désaccord entre vous et Anne est médiatisé par l’horizon des événements. Peu importe qu’Anne ait vu la version malchanceuse de vous éparpillée parmi le rayonnement de Hawking, car l’horizon l’empêche de voir l’autre version de vous flottant à l’intérieur du trou noir.

Anne pourrait jeter un coup d’œil furtif derrière l’horizon

Mais s’il existait un moyen pour elle de découvrir ce qui se trouve de l’autre côté de l’horizon, sans le franchir réellement ?

La relativité ordinaire dirait que c’est un non-non, mais la mécanique quantique rend les règles un peu plus floues. Anne pourrait jeter un coup d’œil furtif derrière l’horizon, en utilisant un petit truc qu’Einstein appelait « action spooky à distance ».

Cela se produit lorsque deux ensembles de particules séparées dans l’espace sont mystérieusement « enchevêtrées ». Ils font partie d’un tout unique et indivisible, de sorte que l’information nécessaire pour les décrire ne peut pas être trouvée dans l’un ou l’autre ensemble seul, mais dans les liens spooky entre eux.

L’idée du RSAP se déroulait à peu près comme suit . Disons qu’Anne s’empare d’un peu d’information près de l’horizon – appelons-la A.

Chaque bit d’information ne peut être enchevêtré qu’une fois

Si son histoire est juste, et que vous êtes fichu, brouillé parmi le rayonnement de Hawking à l’extérieur du trou noir, alors A doit être enchevêtré avec un autre bit d’information, B, qui fait également partie du nuage chaud de rayonnement.

En revanche, si votre histoire est la vraie, et que vous êtes bien vivant de l’autre côté de l’horizon des événements, alors A doit être enchevêtré avec un autre bit d’information, C, qui se trouve quelque part à l’intérieur du trou noir.

Voici le coup de théâtre : chaque bit d’information ne peut être enchevêtré qu’une seule fois. Cela signifie que A ne peut être enchevêtré qu’avec B ou avec C, pas avec les deux.

Alors Anne prend son bit, A, et le passe dans sa pratique machine à décoder les enchevêtrements, qui crache une réponse : soit B, soit C.

Vous glissez-vous au travers et vivez une vie normale ?

Si la réponse s’avère être C, alors votre histoire gagne, mais les lois de la mécanique quantique sont brisées. Si A est enchevêtré avec C, qui se trouve au fond du trou noir, alors cet élément d’information est perdu pour Anne à jamais. Cela brise la loi quantique selon laquelle une information ne peut jamais être perdue.

Il reste B. Si la machine à décoder d’Anne trouve que A est enchevêtré avec B, alors Anne gagne, et la relativité générale perd. Si A est enchevêtré avec B, alors l’histoire d’Anne est la seule histoire vraie, ce qui signifie que vous avez vraiment été brûlé vif. Au lieu de naviguer directement à travers l’horizon, comme la relativité dit que vous devriez, vous avez frappé un pare-feu brûlant.

Nous sommes donc revenus à notre point de départ : que se passe-t-il lorsque vous tombez dans un trou noir ? Est-ce que vous glissez à travers et vivez une vie normale, grâce à une réalité qui dépend étrangement de l’observateur ? Ou bien vous approchez-vous de l’horizon du trou noir pour entrer en collision avec un pare-feu mortel ?

Personne ne connaît la réponse, et c’est devenu l’une des questions les plus controversées de la physique fondamentale.

Il faudrait à Anne un temps extraordinairement long pour décoder l’intrication

Les physiciens ont passé plus d’un siècle à essayer de concilier la relativité générale et la mécanique quantique, sachant qu’un jour ou l’autre, l’une ou l’autre devait céder. La solution au paradoxe du pare-feu devrait nous dire laquelle, et indiquer la voie vers une théorie de l’univers encore plus profonde.

Un indice pourrait se trouver dans la machine à décoder d’Anne. Déterminer avec quel autre bit d’information A est enchevêtré est un problème extraordinairement compliqué. Les physiciens Daniel Harlow, de l’université de Princeton dans le New Jersey, et Patrick Hayden, aujourd’hui à l’université de Stanford en Californie, se sont donc demandé combien de temps cela prendrait.

En 2013, ils ont calculé que, même avec l’ordinateur le plus rapide que les lois de la physique permettraient, il faudrait à Anne un temps extraordinairement long pour décoder l’intrication. Le temps qu’elle ait une réponse, le trou noir se serait évaporé depuis longtemps, disparaissant de l’univers et emportant avec lui la menace d’un pare-feu mortel.

Si c’est le cas, la complexité même du problème pourrait empêcher Anne de jamais déterminer quelle histoire est la vraie. Cela laisserait les deux histoires simultanément vraies, la réalité intrigante dépendant de l’observateur, toutes les lois de la physique intactes, et personne en danger de se heurter à un mur de feu inexplicable.

Si la vraie nature de la réalité se cache quelque part, le meilleur endroit où regarder est un trou noir

Cela donne également aux physiciens quelque chose de nouveau à penser : les connexions alléchantes entre des calculs complexes (comme celui qu’Anne ne peut apparemment pas faire) et l’espace-temps. Cela peut ouvrir la porte à quelque chose de plus profond encore.

C’est le problème des trous noirs. Ils ne sont pas seulement des obstacles gênants pour les voyageurs de l’espace. Ce sont aussi des laboratoires théoriques qui prennent les bizarreries les plus subtiles des lois de la physique, puis les amplifient dans des proportions telles qu’elles ne peuvent être ignorées.

Si la vraie nature de la réalité se cache quelque part, le meilleur endroit pour regarder est un trou noir. Il est probablement préférable de regarder de l’extérieur, cependant : au moins jusqu’à ce qu’ils comprennent cette histoire de pare-feu. Ou envoyer Anne à l’intérieur. C’est déjà son tour.