20150305

Les trous noirs, les poils et les spaghettis

trou noir

« Mon Dieu capitaine, notre vaisseau est attiré dans un énorme trou noir. Activez l’hyperespace et enfilez votre combinaison anti-gravité ou nous allons basculer dans une réalité parallèle ! ». Exemple typique de dialogue de merde d’un film de série Z.


 

 

A L’ORIGINE ETAIT UNE IDEE HYPER COMPLIQUEE (ET A LA FIN AUSSI)

Des trous noirs, il y a un siècle, on ne savait pas ce que c’était. Comprenons-nous bien, je parle des trous noirs de l’espace, ces choses bizarres qui déforment l’espace-temps au point de ne rien en laisser sortir (rien à voir avec les lendemains de cuite difficile). En fait la gravité universelle, telle que l’a comprise Newton, ne permet pas ce genre de chose. Pour lui, l’espace est indéformable.

Einstein, ce grand taré aux cheveux rebelles, s’est imaginé au contraire qu’il était tout à fait possible de déformer l’espace. Et même que c’était obligatoire (et ma liberté de pensée ?). Tout ça à cause de ce qu’on appelle le principe d’équivalence :

Vous avez une masse qui vous est propre (et qui dépend pas mal de votre régime alimentaire). Ce qui est bizarre, c’est que selon Newton on la retrouve dans deux situations qui n’ont rien à voir : lorsque vous montez sur une balance, c’est votre masse qui subit la gravité et permet d’afficher votre poids (si la balance marche encore après un tel traumatisme). La masse est donc ce qui subit la gravité. Ok, pourquoi pas ? Ce qui est chelou, c’est que la masse est aussi ce qui vous empêche de vous déplacer ; c’est votre inertie : plus vous êtes lourd plus il faut vous pousser fort (voire très fort, pour certains). Et ça n’est pas une question de gravité, c’est vrai quelle que soit la force que vous subissez, même dans l’espace, en dehors de toute gravité. Au début on imaginait qu’il y avait deux masses différentes, la « masse grave » et la  « masse inertielle », mais force est de constater qu’elles ont  exactement la même valeur.

Alors Einstein a dit, et si en fait c’était logique ? Si en fait la gravité ne faisait que déformer l’espace, pour qu’on glisse dessus (Einstein, on le sait trop peu, est l’inventeur du ventre-glisse)? Si on glisse en suivant la pente crée par la gravité, alors il n’y a plus vraiment de force de gravité, il y a juste des corps qui se déplacent avec une certaine inertie, mais sur pleins de toboggans de l’espace. On a plus besoin de la masse grave. On a besoin d’une seule masse. Quand vous montez sur la balance, vous êtes juste en haut d’un toboggan avec l’envie de vous déplacer parce que la Terre a courbé l’espace. La balance mesure donc votre masse inertielle, la difficulté que vous avez à glisser. Et paf, hyper logique, principe d’équivalence, c’est génial, c’est que de l’amour. Sauf que ça fait une tripotée d’équations mathématiques hyper compliquées, puisqu’en chaque point de l’espace maintenant, il y a une déformation microscopique. Plus rien ne se déplace vraiment en ligne droite, mais sur des géodésiques : ce sont les chemins les plus courts dans un espace courbé. Par exemple sur une sphère, le chemin le plus court entre deux points c’est un morceau de grand cercle (c’est-à-dire un cercle qui passe par deux points opposés sur la sphère). Merci Einstein.

TON ETOILE ELLE EST TELLEMENT GROSSE QUE QUAND ELLE S’EFFONDRE ELLE FAIT UN TROU NOIR

terre

Quand on fait les calculs pour voir comment l’espace s’organise et se courbe autour d’une masse (comme la Terre, le Soleil …) on voit qu’il se passe des trucs hyper bizarres si la masse est ramassée sur une toute petite distance. Pour la Terre par exemple, c’est 8 mm : si toute la masse de la Terre était ramassée en une si petite boule, les géodésiques feraient vraiment n’importe quoi.  Heureusement la Terre est beaucoup plus grande que cela, et donc l’espace est à peine déformé.

Tout de suite les plus déconneurs d’entre nous se posent la question magique : est-ce que c’est possible dans la vraie vie ? Est-ce qu’on peut créer une masse si ramassée sur elle-même que l’espace est complètement déformé autour et les trajectoires naturelles font du houlà-hop sous ecstasy ? Un bon candidat pour ce genre de bêtise ce serait un astre quelconque. En effet une étoile c’est juste une grosse boule de fluide, qui pourrait tout à fait être beaucoup plus petite. En fait sous le poids de la gravité, toutes les particules aimeraient bien se rapprocher les unes des autres. Mais alors pourquoi elles ne le font pas et ne serrent pas très fort ensemble comme une famille américaine ? Et bien parce qu’il y a du dégagement d’énergie lié à la fusion nucléaire qui se passe en son sein. Ca défouraille grave. Donc il y a équilibre entre le souffle nucléaire, et la gravitation, et ça fait une grosse boule. Mais quand l’étoile meurt, c’est-à-dire qu’il n’y a plus de combustible, elle s’effondre sur elle-même et devient plus petite.

Petite comment ? Et bien ça dépend.  La Terre par exemple ne s’effondre par sur elle-même : les atomes n’ont pas envie de se serrer trop fort, parce qu’ils sont composés de protons, de neutrons et d’électrons qui gravitent autour, avec des charges électriques opposées. Alors tout ça fait comme des aimants qui se repoussent. Et bien l’étoile c’est pareil. Elle n’a pas forcément envie que ses atomes se collent trop entre eux.

Mais si la gravité est très forte, c’est-à-dire que l’étoile est très lourde, elle va l’emporter sur cette force. Parce que la gravité est certes une force très faible, mais qui se somme : quand on commence à être très nombreux, on commence à grave mettre la pression. Les forces électromagnétiques ont beau être super fortes, au bout d’un moment c’est comme un vigile devant une bande d’ados à l’arrivée de Justin Bieber. L’étoile craque.  Et paf ça fait une étoile à neutron : les protons et les électrons se rentrent dedans, ils se désintègrent, et nous voilà avec plus que des neutrons bien collés les uns contre les autres. La densité de ce truc, c’est plusieurs tonnes par cuillérée. C’est beaucoup.  Alors une cuillérée pour bébé et vous l’avez nourri jusqu’à ses 18 ans. Pratique.   Le rayon du Soleil, ramené à cette densité, c’est quelques kilomètres.

Maintenant, l’étoile peut être encore plus lourde que ça. Là ce qui empêche les neutrons de se rapprocher un peu plus, c’est qu’ils sont composés de quarks et qu’il y a une force qu’on appelle nucléaire faible qui les fait se repousser les uns les autres. Si on prend une étoile suffisamment lourde, c’est la limite de Chandrasekhar,  son poids va vaincre cette force, encore une fois (gravité powaaaa) et le problème c’est que derrière il n’y a plus rien. Y a pas d’autre vigile pour empêcher la déferlante. Les particules se rapprochent et se condensent en un seul point. Une densité infinie en un seul point. On appelle ça une singularité. Evidemment c’est impossible, il doit surement se passer un truc qui fait que tout ne se réduit pas à un seul point. Ne serait-ce qu’à cause du principe d’incertitude d’Heisenberg venant de la physique quantique (qui dis en gros que personne ne peut être assez fort pour connaitre un temps, une position, ou n’importe quelle mesure en dessous d’une certaine précision fixe. Même Superman ne peut pas. Donc le centre du trou noir ne devrait pas pouvoir être plus petit que cette précision). Mais peu importe : pour faire un trou noir, il n’est pas besoin que tout se réduise à un point, mais seulement à une toute petite zone. On avait dit 8 mm pour la masse de la Terre par exemple. Pour une étoile, il suffit de se réduire à quelques mètres et le tour est joué. Dans la nature, on est certains que certaines étoiles ont dépassé le poids maximum et ont dû finir en trou noir. On est même à peu près sûr qu’on peut en trouver au centre de certaines galaxies, dont la nôtre.

PORTRAIT ROBOT

A quoi ça ressemble alors un trou noir ? Et bien le concept c’est qu’il y a une distance au centre, appelée le rayon de Scharwchild, ou horizon du trou noir, en-deçà de laquelle la force de gravité est tellement forte, que rien ne peut y échapper. Pas même la lumière, qui pourtant est plutôt agile,  rapide et légère : C’est le top du top niveau déplacement flash éclair. Et ben même elle est impuissante. Alors quand on regarde vers un trou noir, on voit comme un gros rond noir dont le rayon correspond à cette distance.  D’où l’appellation de trou noir (pas bête hein ?).  La réalité est un peu différente. Il y a surement des poussières qui tournent autour de ce trou noir, et qui, en s’en rapprochant, tournent de plus en plus vite. Donc s’échauffent et émettent un peu de lumière. En plus la lumière, juste avant l’horizon du trou noir, c’est complètement n’importe quoi. Quand elle passe très proche, elle peut être déviée complètement, genre faire un demi-tour du trou noir et repartir dans l’autre sens (comme si le trou noir en fait ce serait Thierry la Fronde). Donc en fait vous pouvez voir des trucs qui théoriquement sont derrière le trou noir, comme si on voyait à travers. En fait un trou noir ça peut ressembler à un miroir déformant regardé à travers un kaléidoscope par un type bourré. Mais bon ça dépend du contexte, s’il y a rien derrière et pas de poussière autour c’est un cercle noir et pis c’est marre.

billard

On en sait même un peu plus : Par exemple on est sûr qu’un trou noir n’a pas de cheveux. Voilà voilà. Apparemment il n’a pas de faux cils ni de bas de contention non plus. Non en fait je suis sérieux quand je dis qu’ils n’ont pas de cheveux : les physiciens adorent trouver de superbes métaphores parlantes. En anglais dans le texte, « a black hole has no hair ». On aurait pu traduire par poil. Mais moi j’aime l’idée d’un trou noir avec une longue chevelure chatain, un mulet pis un jean noir et une chemise blanc cassé. En vrai cela signifie que l’horizon du trou noir est lisse. Comme une boule de billard. Pas comme une balle de tennis avec plein de poils et d’excroissances. Là c’est net et précis, forcément. Et en plus de ça on résume dans cette formule qu’il n’y a en fait aucun signe distinctif entre différents trous noirs. Il n’y a que trois caractéristiques : la masse (qui donne directement le rayon où se trouve l’horizon), la charge électrique, et la vitesse de rotation. Un point c’est tout. Une fois que vous savez ça, vous pouvez circuler, il n’y a plus rien à apprendre sur le trou noir. Pas besoin de fouiller pour essayer d’y trouver planqué quelque part une race de pingouineau inconnue, l’image de jésus apparaissant à la surface ou des cristaux de nuit qui redonnent vitalité et période de chance.

BALLADE EN SPAGHETTI

On sait aussi que si vous vous approchez du trou noir en continuant à nous raconter des blagues, les images et le son qui nous parviennent vont avoir de plus en plus de mal à s’extraire de la gravité.  Jusqu’au moment extrême où vous atteindrez l’horizon, moment où les images et le son n’arriveront plus du tout à nous rejoindre. On ne peut donc, absolument pas, voir quelqu’un ou quelque chose franchir l’horizon du trou noir. On ne connaitra jamais la chute de votre superbe blague de Toto.  On verra juste un truc ralentir de plus en plus jusqu’à se figer, genre Ettt lààà Toootooooooooooo … (ad libitum). Et je ne parle même pas des distorsions du temps. Parce que là c’est véritablement ingérable à se représenter : comme la gravité déforme aussi le temps, votre temps propre se déroule beaucoup moins vite. C’est-à-dire que votre montre tourne vachement moins vite que la nôtre, et que vous aurez l’impression que tout s’accélère autour de vous. Genre pour vous on reste à peine 5 min à vous regarder tomber, du style allez bon trou noir, nous on rentre. Alors qu’en fait on a  attendu 2 semaines devant le trou noir, les yeux en larmes, pour savoir si vous feriez demi-tour pour nous raconter la fin de la blague qui avait l’air tellement drôle. Vous ne vivez clairement pas les choses au même rythme.

Une fois franchi l’horizon du trou noir, si vraiment vous voulez tenter l’expérience et ne plus jamais revoir votre famille (parce que je vous rappelle qu’une fois franchi l’horizon vous n’avez plus aucune chance de revenir), vous subirez le supplice du spaghetti : la gravité est tellement forte, que la moindre variation est elle aussi énorme. Comme la force dépend de la distance au centre, quelle que soit votre position, vous aurez une partie de vous plus proche du centre, et une partie plus éloignée. Ces deux morceaux ne seront pas accélérés à la même vitesse vers le centre du trou. Cela est déjà le cas sur Terre, mais c’est tellement faible que votre corps n’a pas de mal à rester d’un seul tenant. En fait il ne s’en rend même pas compte. Dans le trou noir, vous allez être étiré comme un spaghetti et mourir en quelques pouillèmes de seconde. Et il n’existe pas de vaisseau, pas de combinaison pour lutter contre cela : la gravité traverse absolument tout.

Spaghettis

Les géodésiques elles, ces fameux chemin le plus court entre deux points, font n’importe quoi à partir du moment où on franchit l’horizon du trou noir : par exemple, le temps devient une dimension d’espace. Alors que c’est la distance au centre du trou noir qui joue le rôle temps. Cherchez pas moi non plus j’y comprends rien. En tout cas n’essayez pas de tourner en orbite pour que la force centrifuge vous aide à rester loin du centre : sous l’horizon du trou noir les géodésiques pointent vers le centre dans tous les cas et la force centrifuge est inversée. Plus vous tournez plus vous vous rapprochez du centre. Un vrai piège à con ce truc. Vous voilà donc étiré comme un spaghetti, sans espoir de retour, en voyant le temps défiler avec la distance et d’autres joyeuseries bizarres. Hallu totale et mort certaine.

Y A DE LA FRITURE SUR LA LIGNE

Maintenant que vous avez fini de nous emmerder avec votre volonté de rencontre cosmique au centre du trou noir (qui consisterait de toute façon en un numéro raté de l’homme élastique), parlons plus sérieusement.

Un gros débat sur les trous noirs, c’est la disparition d’informations.  On arrive à relier théoriquement la quantité d’énergie de n’importe quoi, et sa répartition, avec une quantité d’information. Un principe de base, c’est que cela ne peut qu’augmenter. En gros on peut imaginer la quantité d’information contenue dans quelque chose comme étant le minimum d’informations qu’il faut fournir pour décrire cette chose. Quand les choses sont bien réparties, comme dans une chambre bien rangée, ça va vite : là il y a un lit, dedans il y a boucle d’or et elle va se faire défoncer par les ours (en tout cas dans la version originale). Mais si c’est le bordel, c’est vachement plus long : là il y a un morceau de plastique cassé qui a l’air de venir de la lampe, ici un truc en boule qui ressemble à un slip, plus loin une poubelle qui déborde avec quantité d’emballages de soupes chinoises etc …

Donc le principe de la physique, c’est que cette quantité d’informations ne peut qu’augmenter. En gros tout devient de plus en plus en bordel.  Et c’est même grâce à ça qu’on s’aperçoit que le temps va toujours dans le même sens. Le souci c’est que le trou noir, il absorbe toute votre chambre, et hop (glurps). Et il n’y a plus d’informations sur ce qu’il y a dedans. Merde on a fait disparaitre de l’information. Comme Poutine dis donc.  Problème, on n’a pas le droit. Et la physique c’est strict, on a jamais vu personne réussir à la corrompre. On raconte bien qu’un type marchait sur l’eau parfois pour amuser ses copains, mais personne n’a ramené de photos. Donc au pire c’est peut-être arrivé une fois. Mais pour l’instant à ce que je sache on n’a aucune preuve que personne ai jamais changé de trou noir en vin. Et c’est là tout le sujet de cet article. Et cessons ces digressions inutiles (Mon dieu un trou noir changé en vin ce serait génial !).

Hawking, le petit hobbit rabougri en fauteuil roulant s’est bien gratté la tête avec les doigts de pieds et a fait une découverte assez sensass’ : un trou noir ça s’évapore. Truc de malade. En théorie rien n’en sort donc ça parait fumeux (hu hu). Mais il s’est dit qu’en utilisant un soupçon de physique quantique, il pourrait dépasser ce paradoxe. En effet les particules quantiques n’ont pas exactement une place attitrée, on ignore un peu où elles sont, et elles peuvent parfois traverser un mur parce qu’elles sont à la fois des deux côtés. C’est le principe à l’origine des écoutes téléphoniques (je déconne). C’est aussi l’effet utilisé dans les microscopes à effet tunnel (et ça par contre c’est vrai, donc oui c’est bizarre, mais oui ça existe). Et bien notre petit monstre s’est dit qu’au niveau de l’horizon du trou noir, il pouvait y avoir des particules qui, paf, se retrouveraient de l’autre côté de l’horizon par le jeu de cette incertitude (en fait il s’en créerait deux, l’une à l’intérieur et l’autre à l’extérieur). Et avec un peu de chance elle arriverait à se barrer. Magie de la physique, voilà notre trou noir qui rayonne ! C’est-à-dire qu’il transpire quoi.  Deux conséquences : la première, c’est que les tout piti trou noir, qu’on peut créer par exemple si on met le thermostat un peu trop fort dans un accélérateur de particules, vont s’évaporer très vite : en quelques millisecondes, les particules qui s’en échappent vont emporter toute l’énergie du trou noir et paf ! A plus. Donc pas de panique, un trou noir crée malencontreusement par l’homme ne va pas engloutir tout ce qui l’entoure, et il ne peut plus rien nous arriver d’affreux maintenant.

La seconde c’est qu’on pourrait supposer que ces particules qui s’échappent sont porteur d’informations. On aurait alors résolu le problème de l’information qui disparait. Manque de bol patatras. On montre que ces particules sont complètement aléatoires et porteuses d’aucune information. Stephen Hawking se dit donc que si même lui n’y peut rien, l’information disparait bel et bien dans un trou noir, et que ceci est une révolution, il faut tout changer les lois fondamentales de la physique.

 

Deux trois clampins ne sont pas trop d’accord pour mettre à terre un principe quasi-religieux en physique, le fameux principe d’augmentation permanente du bordel ambiant (je les soupçonne d’être payés par le lobby des ados ne voulant pas ranger leur chambre). L’un d’eux se dit que la seule chose qui change quand un trou noir absorbe quelque chose, c’est qu’il devient un peu plus lourd, et que la surface de l’horizon augmente un peu. Alors on saupoudre un peu de théorie des cordes là-dessus, et ce collectif de barjot propose que l’information soit entièrement stockée à la surface du trou noir, avec une sorte de gloubi boulga de particules hyper énergétique. Et hop on sauve la loi du bordel.

Alors là, grosse battle entre physiciens, qui disent même pas cap’, c’est toi le boloss, je suis perché etc … et ils vont jusqu’à faire un pari officiel, que Stephen Hawking signera même d’une empreinte de pouce (c’était ça ou une empreinte de dents).

Le problème c’est qu’il faut pouvoir, si cette théorie est vraie, stocker toute l’information qu’il y avait dans le volume où se trouvait le trou noir, avec la matière qui y était et tout, mais sur une surface. Un peu comme si vous deviez stocker toute l’information contenue dans les livres d’une bibliothèque uniquement en graffiti sur les murs du bâtiment. Ça sent le défi impossible. Et pourtant les psychopathes frondeurs ont réussi à le faire. Ils ont développé à fond la théorie des hologrammes. Vous savez les petites cartes qu’il y avait dans les paquets de chocapics où on a l’impression de voir quelque chose en 3D. Et bien un hologramme c’est ça. Vous prenez en photo un objet sous tous les angles en même temps : par exemple vous le mettez dans une boite de chocapic dont l’intérieur est recouvert de papier photographique. Vous avez réussi de cette manière à photographier l’objet sous tous les angles en même temps. Vous avez fait un hologramme. Et bien vous avez donc sur une photo, en 2D, toutes les informations du volume en 3D.

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Voilà nos Schtroumpfs à lunettes qui ont ainsi réussi à prouver que c’était possible. Et très vite, tout le monde va être d’accord avec eux : il est maintenant établi, parmi les scientifiques spécialistes du sujet, que l’information des trous noirs est effectivement stockée sous forme d’hologramme à leur surface. Hawking a même dû reconnaitre sa défaite et payer le montant du pari.

NE SUIS-JE FINALEMENT QU’UN CADEAU CHOCAPIC ?

Conséquence inattendu de ce revirement de situation : les petits génies ont développé de manière magistrale des outils mathématiques inédits pour étudier les hologrammes. Et la correspondance entre volume et surface holographique est tellement puissante, que tout le monde prend l’habitude de travailler avec leurs outils mathématiques holographiques. Même pour étudier l’univers de manière générale. En gros, maintenant pour les physiciens, notre univers n’est plus un volume, mais un hologramme qui tient uniquement sur la surface extérieure de l’univers !!! Le pire c’est que c’est exactement équivalent : il n’est pas vraiment possible de tester quelle hypothèse est la plus censée, entre un univers normal ou un univers hologramme. Volume et surface holographique, c’est pareil. Pour eux en tout cas c’est plié : il est beaucoup plus simple de fonctionner et de calculer comme cela. Ils supposent que nous sommes sur une surface holographique, et tant pis si ça nous choque. Je me sens quand même un peu à plat tout d’un coup …