{"id":4917,"date":"2013-06-24T00:01:29","date_gmt":"2013-06-23T22:01:29","guid":{"rendered":"http:\/\/sciencetonnante.wordpress.com\/?p=4917"},"modified":"2013-06-24T00:01:29","modified_gmt":"2013-06-23T22:01:29","slug":"que-se-passe-t-il-quand-on-tombe-dans-un-trou-noir-ou-le-probleme-du-firewall","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/2013\/06\/24\/que-se-passe-t-il-quand-on-tombe-dans-un-trou-noir-ou-le-probleme-du-firewall\/","title":{"rendered":"Que se passe-t-il quand on tombe dans un trou noir ? (ou le probl\u00e8me du firewall)"},"content":{"rendered":"

\"trou<\/a>Cela fait un moment que je n’ai pas \u00e9crit de billet de physique th\u00e9orique qui pique. \u00c7a tombe bien : je vais pouvoir vous parler de ce paradoxe qui, depuis quelques mois, donne des insomnies \u00e0 quelques chercheurs, sp\u00e9cialistes de ce domaine qu’on appelle la gravit\u00e9 quantique.<\/p>\n

La question qui provoque tout cette agitation est \u00ab\u00a0que se passe-t-il quand on tombe dans un trou noir\u00a0?\u00a0\u00bb<\/em> La r\u00e9ponse est bien \u00e9videmment qu’on finit par mourir.<\/p>\n

Mourir, oui, mais comment\u00a0?<\/p>\n

Il y a quelques mois, des chercheurs de l’Universit\u00e9 de Santa Barbara en Californie ont publi\u00e9 un article d\u00e9montrant que – contrairement \u00e0 ce que l’on pensait – tout ce qui tombe dans un trou noir finit par se faire carboniser au contact de ce qu’ils ont appel\u00e9 \u00ab\u00a0un mur de feu\u00a0\u00bb (firewall<\/em>). Et l’air de rien, cette affirmation menace gravement certains fondements de la physique\u00a0!<\/p>\n

Qu’est-ce qu’un trou noir\u00a0?<\/h3>\n

Un trou noir, c’est une r\u00e9gion de l’espace de laquelle rien ne peut s’\u00e9chapper<\/strong>, pas m\u00eame la lumi\u00e8re. Cela ne peut se produire que quand il existe une tr\u00e8s grande masse suffisamment concentr\u00e9e, et dont la force d’attraction gravitationnelle est suffisante pour retenir n’importe quel objet, particule ou m\u00eame rayon lumineux.<\/p>\n

Pour fabriquer un trou noir, il vous faut donc confiner une forte masse dans une r\u00e9gion suffisamment petite de l’espace. Prenons l’exemple du Soleil\u00a0: il p\u00e8se environ 2 milliards de milliards de milliards de tonnes, et son rayon est de 700 000 km, soit 200 fois celui de la Terre. Si vous arriviez \u00e0 concentrer toute la masse du Soleil dans un rayon inf\u00e9rieur \u00e0 3 kilom\u00e8tres, cela cr\u00e9erait un trou noir : <\/strong>tout objet ou rayon lumineux qui s’en approcherait \u00e0 moins de 3 kilom\u00e8tres ne pourrait plus s’\u00e9chapper.<\/p>\n

Pour cr\u00e9er un trou noir avec la Terre, c’est encore plus difficile puisqu’il faudrait concentrer toute sa masse dans un rayon d’un centim\u00e8tre…et bien s\u00fbr cela cr\u00e9erait un trou noir qui ne ferait seulement qu’un centim\u00e8tre ! Et pourtant les astrophysiciens sont maintenant convaincus que les trous noirs existent r\u00e9ellement, et qu’il y en aurait m\u00eame un tout pr\u00e8s de chez nous : au centre de notre galaxie<\/strong>, la Voie Lact\u00e9e.<\/p>\n

Si vous voulez contempler un trou noir de vos propres yeux, sortez ce soir vers minuit et regardez vers le Sud<\/strong>. Un peu au-dessus de l’horizon, vous devriez voir la constellation du Sagittaire, reconnaissable \u00e0 un petit motif bien connu des amateurs\u00a0: la th\u00e9i\u00e8re. Comme le montre l’image ci-dessous, la Voie Lact\u00e9e passe tout pr\u00e8s de la th\u00e9i\u00e8re, et \u00e0 proximit\u00e9 de son bec se trouve la direction qui indique le centre de la Voie Lact\u00e9e. Et c’est l\u00e0 que se trouve un objet appel\u00e9 Sagittaire A*<\/strong>, dont on pense aujourd’hui que c’est un trou noir superg\u00e9ant, bien cal\u00e9 en plein milieu de notre galaxie\u00a0!<\/p>\n

\u00a0\"sagittarius<\/a><\/p>\n

Que se passe-t-il quand on tombe dans un trou noir\u00a0?<\/h3>\n

\"trou<\/a>Puisque l’on sait qu’ils existent, on peut essayer d’imaginer ce que nous ressentirions si nous tombions dans un trou noir. \u00c9tonnamment, au d\u00e9but il ne se passerait rien de sp\u00e9cial<\/strong>. Reprenons l’exemple du Soleil, imaginons que je r\u00e9ussisse \u00e0 concentrer sa masse dans un rayon moins d’un kilom\u00e8tre. Comme nous l’avons vu, si maintenant je m’approche \u00e0 moins de 3 kilom\u00e8tres du centre, je serai pi\u00e9g\u00e9. Cette limite (qui dans le cas de la masse du Soleil vaut 3 kilom\u00e8tres) est appel\u00e9e l’horizon du trou noir<\/strong>.<\/p>\n

Mais ce qu’il faut comprendre, c’est qu’au niveau de l’horizon, il n’y a rien, et notamment pas de mati\u00e8re ! Celle-ci est concentr\u00e9e plus au centre, et l’horizon n’est qu’une fronti\u00e8re immat\u00e9rielle.<\/strong> Si je tombe vers le trou noir, au moment o\u00f9 je franchirai l’horizon, je ne remarquerai absolument rien de sp\u00e9cial (mais il sera quand m\u00eame trop tard pour revenir).<\/p>\n

On peut prendre une analogie : vous marchez au milieu d’un champ, et soudain sans le savoir, et sans que rien ne l’indique, vous franchissez la fronti\u00e8re qui vous fait passer dans un autre pays. Sauf que ce pays interdit \u00e0 quiconque d’en sortir, et si vous essayez de revenir sur vos pas, la police d\u00e9barque et vous en emp\u00eache. Eh bien un trou noir, c’est pareil : rien ne vous pr\u00e9vient quand vous franchissez le point de non-retour. Si un jour vous avez le malheur de tomber dans un trou noir, vous ne vous en rendrez m\u00eame pas compte\u00a0<\/strong>!<\/p>\n

Et c’est d’ailleurs bien normal qu’on ne se rende compte de rien, car ce principe est une des bases de la th\u00e9orie de la relativit\u00e9 g\u00e9n\u00e9rale d’Einstein, celle-l\u00e0 m\u00eame qui pr\u00e9dit l’existence des trous noirs.<\/p>\n

Au d\u00e9but du XX\u00e8me si\u00e8cle, Einstein a construit une partie de sa th\u00e9orie \u00e0 partir d’une exp\u00e9rience de pens\u00e9e fameuse\u00a0: si une cabine d’ascenseur se d\u00e9croche et que les occupants tombent en chute libre, ils flotteront dans les airs comme s’ils \u00e9taient en apesanteur dans l’espace. Einstein a \u00e9rig\u00e9 cette observation en principe g\u00e9n\u00e9ral\u00a0: il n’existe aucune diff\u00e9rence d\u00e9tectable entre l’apesanteur et la chute libre<\/strong> (que cette chute se fasse vers la Terre ou vers un trou noir). Par \u00ab\u00a0diff\u00e9rence d\u00e9tectable\u00a0\u00bb, il faut entendre qu’une personne enferm\u00e9e dans une cabine, et ayant le droit de faire des exp\u00e9riences de physique trouvera toujours exactement les m\u00eames r\u00e9sultats qu’elle soit en apesanteur ou en train de tomber en chute libre. C’est ce qu’Einstein a appel\u00e9 le \u00ab\u00a0principe d’\u00e9quivalence\u00a0\u00bb<\/strong>.<\/p>\n

Vous comprenez maintenant pourquoi franchir l’horizon d’un trou noir en \u00e9tant attir\u00e9 par lui ne doit pas provoquer d’\u00e9v\u00e8nement particulier, c’est cens\u00e9 \u00eatre une exp\u00e9rience \u00e9quivalente \u00e0 flotter dans l’espace en apesanteur.<\/p>\n

Tout semble aller pour le mieux dans le monde des trous noirs…jusqu’\u00e0 ce qu’on ajoute un ingr\u00e9dient\u00a0!<\/p>\n

La conservation de l’information dans les trous noirs<\/h3>\n

La th\u00e9orie de la relativit\u00e9 g\u00e9n\u00e9rale, qui pr\u00e9dit l’existence des trous noirs, est une th\u00e9orie de l’infiniment grand. Mais \u00e0 l’autre bout du spectre existe une th\u00e9orie de l’infiniment petit\u00a0: la m\u00e9canique quantique<\/strong>. Cette th\u00e9orie est pleine de paradoxes et de r\u00e9sultats contre-intuitifs, mais elle comporte un ingr\u00e9dient rassurant\u00a0: l’information y est conserv\u00e9e<\/strong>. Qu’entend-on par l\u00e0\u00a0?<\/p>\n

Imaginons que je br\u00fble ma voiture et que vous arriviez \u00e0 la fin de l’incendie. Supposons qu’au moment o\u00f9 vous arriviez on puisse mesurer tr\u00e8s exactement la position de toutes les atomes pr\u00e9sents. Alors si vous connaissez les lois de la physique, vous pouvez (en principe) reconstituer les trajectoires de tous les atomes, calculer o\u00f9 ils se trouvaient au d\u00e9part, et donc conna\u00eetre quelle \u00e9tait la forme, la couleur et la marque de ma voiture.<\/p>\n

Bien s\u00fbr il s’agit d’une exp\u00e9rience tr\u00e8s th\u00e9orique, mais qui traduit une propri\u00e9t\u00e9 fondamentale de toute la physique microscopique\u00a0: si on connait exactement l’\u00e9tat pr\u00e9sent d’un syst\u00e8me, on peut en principe reconstituer son pass\u00e9. On dit donc que l’information ne dispara\u00eet pas\u00a0: elle est conserv\u00e9e.<\/strong><\/p>\n

Le probl\u00e8me, c’est que ce principe de conservation de l’information est incompatible avec les trous noirs<\/strong>\u00a0! Si je prends ma voiture et que je la jette dans un trou noir, \u00e0 l’ext\u00e9rieur du trou noir il n’y aura strictement plus aucune information qui nous renseigne sur ce qu’il y avait avant\u00a0: impossible de savoir si ma voiture \u00e9tait une Lada ou une Ferrari (ni m\u00eame si c’\u00e9tait une voiture !). Avec les trous noirs, l’information est d\u00e9truite au lieu d’\u00eatre conserv\u00e9e.<\/p>\n

\"lada<\/a><\/p>\n

Vous avez l\u00e0 un exemple frappant d’une contradiction entre la th\u00e9orie de l’infiniment grand (la relativit\u00e9 g\u00e9n\u00e9rale) et celle de l’infiniment petit (la m\u00e9canique quantique).<\/p>\n

Le rayonnement de Hawking<\/h3>\n

\"rayonnement<\/a>Ce probl\u00e8me n’a bien s\u00fbr pas \u00e9chapp\u00e9 aux plus grands physiciens th\u00e9oriciens, et parmi eux le c\u00e9l\u00e8bre Stephen Hawking, qui a fait plusieurs contributions d\u00e9terminantes vers sa r\u00e9solution. Dans les ann\u00e9es 70, il a montr\u00e9 que si on incorpore un peu de m\u00e9canique quantique dans les trous noirs, alors ceux-ci ne sont plus si noirs que \u00e7a<\/strong>\u00a0! Plus pr\u00e9cis\u00e9ment, il a montr\u00e9 qu’un trou noir doit n\u00e9cessairement \u00e9mettre un rayonnement, et que ce rayonnement fait diminuer la masse du trou noir jusqu’\u00e0 provoquer son \u00e9vaporation totale\u00a0! C’est ce qu’on appelle le rayonnement de Hawking<\/strong>.<\/p>\n

Si le trou noir \u00e9met quelque chose, alors peut \u00eatre que ce quelque chose contient des traces qui permettent de reconstituer ce qui est tomb\u00e9 dedans (et la marque de ma voiture)\u00a0? C’est ce qu’on peut penser, mais \u00e7a ne marche pas, car d’apr\u00e8s les calculs de Hawking ce rayonnement ne d\u00e9pend que de la masse du trou noir, mais il est le m\u00eame quel que soit son contenu (Ferrari ou Lada).<\/p>\n

Ca n’est que bien plus tard dans les ann\u00e9es 90 que Leonard Susskind de l’Universit\u00e9 de Stanford a r\u00e9solu le paradoxe en montrant qu’il existe dans le rayonnement de Hawking une trace de la nature exacte de tout ce qui est tomb\u00e9 dans le trou noir depuis sa cr\u00e9ation. L’information est donc bien conserv\u00e9e dans le rayonnement de Hawking, et en observant celui-ci on peut (toujours en principe) retrouver la marque de ma voiture\u00a0!<\/p>\n

Tout va bien cette fois, non\u00a0? Eh bien tout allait bien, jusqu’\u00e0 ce jour de juillet 2012 o\u00f9 4 autres physiciens ont mis le feu au trou (noir).<\/p>\n

Fire walk with me<\/h3>\n

Comme vous l’avez not\u00e9 tout au long de ce billet, comme on parle de conditions extr\u00eames et qu’en plus les physiciens th\u00e9oriciens ne savent pas faire de manips, on s’en r\u00e9f\u00e8re toujours \u00e0 des exp\u00e9riences \u00ab\u00a0de pens\u00e9e\u00a0\u00bb. La derni\u00e8re en date a donc \u00e9t\u00e9 propos\u00e9e par un groupe men\u00e9 par le physicien Joe Polchinski, un des sp\u00e9cialistes de la th\u00e9orie des cordes. Dans cet article, lui et ses collaborateurs d\u00e9montrent que si le m\u00e9canisme de conservation de l’information propos\u00e9 est vrai, alors il doit exister au niveau de l’horizon du trou noir un zone de tr\u00e8s forte lib\u00e9ration d’\u00e9nergie<\/strong>, zone qu’ils ont malicieusement appel\u00e9 \u00ab\u00a0firewall\u00a0\u00bb<\/em>.<\/p>\n

Si on en croit leur raisonnement, un individu qui tomberait dans un trou noir serait donc instantan\u00e9ment vaporis\u00e9 au moment o\u00f9 il franchirait l’horizon<\/strong>. Apr\u00e8s tout, pourquoi pas\u00a0? On est plus \u00e0 \u00e7a pr\u00e8s !<\/p>\n

Le probl\u00e8me que cela pose, c’est que nous avons vu au d\u00e9but de ce billet que le principe d’\u00e9quivalence impose que rien de d\u00e9tectable ne se produit quand on tombe en chute libre, y compris quand on franchit l’horizon d’un trou noir. Ce principe interdit donc l’apparition soudaine d’un mur de feu !<\/p>\n

A l’heure actuelle, il n’existe donc que 3 alternatives<\/del> possibilit\u00e9s :<\/p>\n

    \n
  1. Le principe d’\u00e9quivalence est faux, et il faut repenser en profondeur la relativit\u00e9 g\u00e9n\u00e9rale\u00a0;<\/li>\n
  2. La conservation de l’information est fausse, et il faut repenser en profondeur la m\u00e9canique quantique\u00a0;<\/li>\n
  3. Polchinski et sa bande ont fait une erreur.<\/li>\n<\/ol>\n

    Cela fait maintenant un an que les meilleurs th\u00e9oriciens du monde essayent de trouver une faille dans le raisonnement, mais sans succ\u00e8s ! Beaucoup commencent \u00e0 se r\u00e9soudre \u00e0 devoir choisir entre l’une des deux autres alternatives. Alors, on sacrifie la m\u00e9canique quantique ou la relativit\u00e9 g\u00e9n\u00e9rale ?<\/strong> On comprend mieux pourquoi le probl\u00e8me du firewall suscite un tel enthousiasme, car sa r\u00e9solution va peut \u00eatre n\u00e9cessiter de repenser des principes physiques fondamentaux maintenant vieux de presque un si\u00e8cle.<\/p>\n

    R\u00e9f\u00e9rences :<\/span><\/p>\n

    L’article de Polchinski et sa bande : Black Holes: Complementarity or Firewalls?<\/a><\/p>\n

    Un tr\u00e8s bon billet de vulgarisation sur le sujet : Black Hole Firewalls Confound Theoretical Physicists<\/a> par Jennifer Ouellette<\/p>\n

    Billets reli\u00e9s :<\/span><\/p>\n

    Sur les principes de relativit\u00e9 : La th\u00e9orie de la relativit\u00e9…de Galil\u00e9e<\/a><\/p>\n

    Sur les trous noirs : le LHC peut-il cr\u00e9er un trou noir au CERN<\/a> ?<\/p>\n

    Sur un gros gros paradoxe quand on essaye de marier relativit\u00e9 g\u00e9n\u00e9rale et m\u00e9canique quantique : la plus grosse erreur de toute l’histoire de la physique<\/a><\/p>\n

    Sur de la physique th\u00e9orique qui pique, et qui met en \u00e9moi les chercheurs : la gravit\u00e9, une force \u00e9mergente d’origine entropique<\/a> (\u00e7a a fait flop d’ailleurs ce truc, non ?)<\/p>\n

    \n

    Pour aller plus loin : l’argument de Polchinski et compagnie<\/em><\/h3>\n

    Je suis loin de pouvoir dire que j’ai compris le d\u00e9tail de la d\u00e9monstration des 4 californiens. Mais pour ceux que \u00e7a int\u00e9resse, voici l’id\u00e9e de base. Le m\u00e9canisme imagin\u00e9 par Susskind dans les ann\u00e9es 90 pr\u00e9voit que l’information de ce qui a form\u00e9 le trou noir se cache dans le rayonnement de Hawking, sous la forme d’une intrication des \u00e9tats quantiques du rayonnement. Mais par ailleurs quand le rayonnement de Hawking se produit, il se fait au moyen d’une paire particule\/antiparticule qui se cr\u00e9e au niveau de l’horizon et se s\u00e9pare avant de pouvoir se recombiner. En principes les deux particules de cette paire doivent aussi \u00eatre intriqu\u00e9es. Mais il existe en m\u00e9canique quantique un r\u00e9sultat appel\u00e9 \u00ab\u00a0monogamie de l’intrication\u00a0\u00bb, qui dit qu’une syst\u00e8me ne peut pas \u00eatre totalement intriqu\u00e9 avec deux autres syst\u00e8mes. La seule solution est donc d’imaginer que l’intrication entre les 2 particules est bris\u00e9e au niveau de l’horizon, ce qui serait la source du d\u00e9gagement d’\u00e9nergie \u00e0 l’origine du firewall.<\/em><\/p>\n

    Ce raisonnement un peu heuristique a une traduction formelle dans l’article des 4 chercheurs californiens. Parmi les questions que je me pose \u00e0 sa lecture, il y a celle de savoir si – plut\u00f4t que de sacrifier la conservation de l’information – on ne pourrait pas sacrifier la monogamie de l’intrication. Dans la m\u00eame veine, il me semble qu’un des points de l’argument fait appel au \u00ab\u00a0no-cloning theorem\u00a0\u00bb, qui interdit que l’on puisse faire une copie exacte d’un \u00e9tat quantique. On pourrait pas le sacrifier, lui-aussi ?
    \n<\/em><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

    Cela fait un moment que je n’ai pas \u00e9crit de billet de physique th\u00e9orique qui pique. \u00c7a tombe bien : je vais pouvoir vous parler de ce paradoxe qui, depuis quelques mois, donne des insomnies \u00e0 quelques chercheurs, sp\u00e9cialistes de ce domaine qu’on appelle la gravit\u00e9 quantique. La question qui provoque tout cette agitation est<\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"jetpack_post_was_ever_published":false,"_jetpack_newsletter_access":"","_jetpack_dont_email_post_to_subs":false,"_jetpack_newsletter_tier_id":0,"_jetpack_memberships_contains_paywalled_content":false,"_jetpack_memberships_contains_paid_content":false,"footnotes":""},"categories":[6],"tags":[40,30,31],"class_list":{"0":"post-4917","1":"post","2":"type-post","3":"status-publish","4":"format-standard","6":"category-physique","7":"tag-astronomie","8":"tag-gravite","9":"tag-relativite"},"jetpack_featured_media_url":"","jetpack_sharing_enabled":true,"post_mailing_queue_ids":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/4917","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=4917"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/4917\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=4917"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=4917"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=4917"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}