Verra-t-on un trou noir en 2018 ? (2)

Cet article fait suite à celui d’hier.

En résumé, un trou noir, c’est un point de l’espace infiniment petit et dans lequel la matière entassée dedans est devenue infiniment dense. Alors pour voir un point infiniment petit… noir… et très éloigné, on peut se demander si les astronomes ne sont pas tombés sur la tête !

Je vais donc introduire un autre concept qu’il faut connaitre provenant de cet hirsute personnage, mais un peu plus génial que moi, Albert Einstein. Il y a 103 ans, sa théorie de la relativité générale nous apprenait que l’espace-temps se déforme lorsqu’il y a de la matière. Et plus cette matière est dense, plus l’espace se déforme.

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L’image classique est celle du trampoline avec une boule de quilles au centre. Remplacez la boule de quilles par une boule d’or, puis par une boule d’uranium, plus la matière est massive, plus le trampoline s’enfonce autour de l’objet. Placez-y maintenant un trou noir, le trampoline se déforme tellement que sa trame devient un puits sans fond. Ainsi, autour d’un trou noir, la trame d’espace-temps se creuse à l’infini.

 

Ce puits attire donc les objets environnants, mais également tout ce qui s’en approche trop, lumière incluse. Ce n’est pas le trou noir qui attire la lumière, c’est l’espace qui a pris la forme d’un entonnoir. La lumière ne fait que suivre la géométrie de cet espace qui plonge sans fin. On dit qu’elle suit la géodésique de l’espace-temps.

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Si la lumière passe trop près, sa géodésique va l’amener inexorablement dans le puits. Si la lumière passe plus loin, l’espace-temps n’est pas suffisant déformé pour que la géodésique l’amène dans le puits. On comprend donc qu’il y a une limite entre le « juste un peu trop près, je tombe » et le « juste assez loin, je m’en sors ».

Sous cette limite, la lumière est piégée par le puits spatiotemporel. Au-delà, elle parvient à poursuivre sa trajectoire. Puisque le puits gravitationnel est tridimensionnel (sa déformation se crée dans les 3 dimensions d’espace), la limite est également tridimensionnelle. Elle prend donc l’apparence d’une sphère. Et puisque toute lumière passant sous cette limite est irrémédiablement piégée dans le puits, cette sphère ne peut émettre aucune lumière. Elle est donc parfaitement noire. On a l’impression que le trou noir a une bonne dimension puisqu’on voit une grosse sphère noire. Cependant, le trou noir reste un point infinitésimalement petit. La sphère noire autour du trou noir est simplement un effet créé par le trou noir, ce n’est pas le trou noir. Cet effet visuel ne contient rien, ni matière, ni lumière, sauf en son point central infiniment petit. Cependant, on a l’impression de voir le trou noir.

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La surface de cette sphère parfaitement noire se nomme l’horizon des événements du trou noir. Plus le trou noir sera massif, plus cet horizon gonflera, puisque l’espace déformé s’agrandit de plus en plus. On a l’impression de voir le trou noir grossir. C’est toujours l’horizon des événements qui grossit, pas le trou noir qui reste toujours, peu importe la masse engloutie, un point infiniment petit.

Donc, mon titre est un peu racoleur puisqu’on ne peut voir que l’horizon des événements d’un trou noir, pas le trou noir comme tel.

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Toutefois, les astronomes eux-mêmes parlent de voir un trou noir. Vous pourrez donc corriger leur abus de langage la prochaine fois que vous croiserez un astronome au supermarché. « Tut, tut, tut ! horizon des événements mon ti-noir ! Tu ne me passeras pas un horizon pour un trou ! »

Bon, maintenant on sait qu’on peut admirer l’effet d’un trou noir sur l’espace qui l’entoure, ça ressemble à une sphère toute noire, ça s’appelle un horizon des événements, ça peut donc s’observer.

Demain, on verra comment s’y prendre pour voir des horizons des événements qui sont passablement petits. Et les trous noirs supermassifs alors ? On aurait probablement plus de chance avec ceux-là.

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Rasoir d’Occam

Le principe du rasoir d’Occam est utilisé en sciences pour départager différentes hypothèses pouvant toutes expliquer un phénomène encore incompris.

Les hypothèses possèdent chacune un certain degré de complexité. Très souvent, la théorie avançant le plus bas taux de complexité est souvent considérée comme la vraie, celle qui s’avèrera exacte après les expérimentations ou observations.

Mais le rasoir d’Occam n’apporte pas une preuve, il nous montre simplement quelle direction privilégier pour optimiser nos chances de découvrir la vérité plus rapidement.

Il est survenu à de multiples reprises que le rasoir d’Occam n’ait pas fonctionné alors que la vérité s’était dissimulée dans des replis ombrageux de théories complexes.

On assiste alors à des changements de paradigmes. On définit une théorie sur de nouvelles bases et on englobe l’ancienne théorie comme une approximation de la nouvelle.

Ce fut le cas avec les théories de la relativité restreinte et générale qui sont éminemment plus complexes que les théories de Galilée et de Newton.

Faisons un pas en arrière et réécrivons l’histoire en inventant une situation qui ne s’est pas produite, mais qui aurait pu. Imaginons-nous au temps de Newton. Einstein lui rend visite et il propose sa théorie de la relativité générale pour expliquer les phénomènes célestes et terrestres de la gravitation. Newton lui propose sa théorie de la gravitation qui s’avère beaucoup plus simple et intelligible.

En appliquant le rasoir d’Occam sur ce conflit opposant deux théories permettant d’expliquer certains phénomènes, on est alors obligé d’opter pour la théorie de la gravitation de Newton puisque aucune observation à cette époque n’aurait pu prouver l’une meilleure que l’autre. Les deux théories auraient donné des résultats comparables, mais celle de Newton est d’une complexité enfantine par rapport celle d’Einstein.

Pourtant on connait la suite. La théorie de Newton a été déclassée par celle de son successeur. Si on persiste à utiliser la première, c’est simplement qu’au quotidien, la précision de la seconde n’est pas requise.

Mais on doit l’admettre, le rasoir d’Occam ne fonctionne pas à tout coup. En fait, fonctionne-t-il vraiment ? Peut-être nous aide-t-il seulement à simplifier une réalité trop complexe pour être avalée en un seul morceau. Ainsi le rasoir d’Occam nous voilerait la vérité plutôt que nous la montrer.

Plusieurs scientifiques et penseurs ont payé un tribut très cher au nom du rasoir d’Occam. Je parlais de Ludwig Boltzmann dans un article précédent. Aujourd’hui je rajoute Alfred Wegener, le père de la théorie de la dérive des continents.

Une foi aveugle en quelque principe finit toujours par rouler ses adeptes dans la farine, le rasoir d’Occam y compris.

Le choix

« Le choix est une illusion créée par ceux possédant le pouvoir pour ceux qui en sont privés »

Cette réplique (une traduction personnelle) vient du film « La Matrice rechargée ». Le Mérovingien lance cette affirmation à Néo quand ce dernier lui dit qu’il existe toujours un choix.

Nos choix ne sont-ils qu’apparents ? Y aurait-il un Grand Horloger qui voit tout venir et qui déplace les pilules en nous laissant l’impression qu’on a réellement choisi la pilule rouge parmi les autres ? Les autres pilules n’existaient peut-être pas réellement et notre cerveau a choisi la seule vraie parmi la seule possible.

La question du choix engendre des théories scientifiques sérieuses, mais totalement loufoques comme un dédoublement de l’Univers à chaque fois que nous ferions un choix.

Mais d’où provient l’énergie pour engendrer un second Univers semblable au premier à la différence près que l’un est constitué de mon choix A et l’autre de mon choix B ?

Par quel mécanisme ce dédoublement est-il produit ? Quel type de choix est un choix valide ou pas pour générer un nouvel Univers ? Lorsqu’on choisit parmi une liste de 200 possibilités, y a-t-il création de 199 autre Univers ?

Les scientifiques qui croient à ce genre de stupidité cherchent une solution dans des directions qui invalideraient toutes les autres théories physiques, dont celle de la conservation de l’énergie et de l’énergie requise pour structurer un Univers depuis ses débuts isotropes jusqu’à un Univers organisé et structuré comme est le nôtre à l’heure actuelle. C’est ni plus ni moins de faire intervenir un Créateur omnipotent, même s’ils se défendent bien de ça.

C’est vrai que la physique quantique pousse notre raison dans ses derniers retranchements, mais je suis convaincu qu’elle ne viole pas la loi de la conservation d’énergie ni la dépense d’énergie requise (entropie) pour créer des structures inhomogènes de plus en plus complexes.

Niels Bohr, l’un des piliers de la physique quantique, avait laissé entendre que la loi de la conservation d’énergie était violable, mais il fut débouté par la mise en place de la théorie de la chromodynamique quantique qui a fini par expliquer ce qui paraissait être une violation de la conservation d’énergie. Faut croire que certains scientifiques s’amusent à réinventer des théories violant pas juste un peu cette loi, mais la violant à des échelles plus qu’astronomiques.

Nouvelle tentative ratée de prendre Einstein en défaut

La théorie de la relativité générale d’Einstein élaborée entre 1907 et 1915 est considérée comme étant la plus importante contribution d’un seul homme à la physique. Il reçut toutefois de l’aide de deux mathématiciens qui lui permirent de compléter son œuvre, Marcel Grossmann et David Hilbert. Cette théorie complexe nous présente un modèle sur la façon dont les objets déforment l’espace-temps pour, en contrepartie, faire bouger ces mêmes objets. Depuis, sa théorie tient bon contre tous les assauts, y compris les plus récents et les plus raffinés, dont l’expérience Microscope. Cette récente tentative cherche à prendre en défaut le postulat qu’a utilisé Einstein pour élaborer sa fameuse théorie.

Un postulat est une affirmation non démontrée servant de point de départ à l’élaboration d’une théorie. Dans le cas de la relativité générale, Einstein a postulé un principe d’équivalence entre lois physiques dans un référentiel tombant en chute libre dans un champ de gravitation et les lois physiques dans un référentiel inertiel.

On connait mieux la formulation suivante. Deux corps, quels qu’ils soient, tomberont de façon identique dans un même champ gravitationnel, peu importe leur masse ou leur densité.

L’expérience du satellite Microscope «Micro Satellite à traînée Compensée pour l’Observation du Principe d’Équivalence» consiste en deux cylindres imbriqués l’un dans l’autre faits de métaux différents, donc de densité différente. Si les deux cylindres tombent de façon identique dans le champ de gravitation, on ne constatera aucun changement dans leurs positions respectives. Dans le cas contraire, ils se déplaceront l’un par rapport à l’autre et le principe d’équivalence sera violé, mettant à mal la relativité générale, ce qui ouvrira la voie à établir une nouvelle théorie de la gravitation.

Pourquoi cette énième expérience sur le même sujet alors que toutes les précédentes se sont soldées par une confirmation du principe d’équivalence?

Tout d’abord, pour affiner les mesures puisque Microscope est cent fois plus sensible que les précédentes expériences. Une différence pourrait alors être perçue par des accéléromètres là où elle aurait échappé aux expérimentations moins précises.

L’autre raison est encore plus fondamentale. Les deux piliers de la physique actuelle se détestent mutuellement. La chromodynamique quantique et la relativité générale semblent décrire deux univers différents alors qu’elles font partie d’un seul et même monde, le nôtre. Pourquoi le comportement de la matière se modifie-t-il si drastiquement aux très petites et aux très grandes échelles, demeure un mystère total et très dérangeant.

Pourtant, les deux théories résistent jusqu’à présent aux multiples tentatives de plus en plus raffinées visant à prendre en défaut l’une ou l’autre, sinon les deux. La dichotomie actuellement observée agace, frustre et embête les physiciens qui n’y voient qu’un moyen de progresser vers une vérité cachée sous-jacente. Mais les deux édifices théoriques tiennent bon, malgré l’inventivité des expérimentateurs. Par exemple, le satellite Microscope a permis jusqu’à présent de vérifier le principe d’équivalence jusqu’à une sensibilité de 2 x 10-14 (0,00000000000002) et on espère améliorer cette sensibilité d’un facteur 20 d’ici peu (1 x 10-15).

Même si le principe d’équivalence reste toujours valide, cette expérience permettra d’éliminer d’autres théories concurrentes. Si, par contre, des différences commencent à apparaitre, la théorie des cordes (actuellement repoussée dans les cordes du ring) pourrait prendre du gallon puisqu’elle prédit une différence très faible entre la masse inerte (inertielle) et la masse grave (en champ de gravité).

Il est important de comprendre que toutes les théories ne sont qu’une modélisation de notre Univers et non une représentation exacte de ce qu’il est. Les nouvelles théories émanent des ambiguïtés des précédentes. Il n’est pas dit qu’un jour nous ayons réponse à tout à partir d’une seule théorie unifiée. Par contre, notre compréhension actuelle du comportement de notre monde ne nous satisfait aucunement, malgré notre capacité de prédiction permise soit par la relativité soit par la chromodynamique quantique. C’est comme demander à papa de nous répondre lorsqu’il est question de sujets d’ordre cosmique et à maman lorsqu’on discute d’atomes et de ses constituants. On rêve du jour où nos parents règleront leurs différents une fois pour toutes. Cela pourrait s’avérer impossible, mais jusqu’à présent, on a toujours réussi à trouver un terrain d’entente. C’est seulement lorsqu’on affine le sujet de conversation que de nouvelles différences apparaissent. Cette divergence actuelle résiste aux assauts de millions de théoriciens et expérimentateurs depuis près d’un siècle. Jamais nos efforts n’ont été aussi nombreux et perfectionnés dans le but de faire mentir la gravitation ou son adversaire composé des forces nucléaires faible et forte ainsi que de la force électromagnétique.

La schizophrénie dont est atteint le monde de la physique finira, espérons-le, à être un jour guérie. Pour ce faire, d’autres expériences devront être effectuées avec des moyens toujours plus ingénieux afin d’atteindre des degrés de précision inégalés.

Photo : europe1.fr

La théorie décrivant le mieux ma fille

Après une dizaine d’années d’un travail acharné et ininterrompu, un homme aux pensées non conformistes accouche d’une théorie révolutionnaire. Cent-deux ans plus tard, celle-ci reste toujours d’actualité et n’a même jamais été prise en défaut.

La théorie de la relativité générale est un monument érigé par un seul homme, un effort de pensée hors normes. Mais la théorie d’Einstein censée résumer la façon dont le cosmos fonctionne a supplanté son auteur.

En 1920, Schwartzschild calcule une solution à ses équations qui démontre que les étoiles ont un rayon critique en dessous duquel elles se transforment en trou noir. Einstein en est horrifié et espère que la Nature possède un système de censure lui évitant de générer ces monstres. Il a tort. Puis, on lui prouve que ses équations forcent l’Univers à s’étendre ou à se contracter. Une fois encore, horripilé par ce constat, il modifie ses équations pour les amener à décrire un Univers stationnaire, conforme à sa vision. Malheureusement, l’histoire se répète, de nouveau il se trompe. L’Univers ainsi que ses propres équations refusent obstinément de se comporter comme il le veut. C’est ironique de voir que son monde ne lui a jamais appartenu, ou si peu de temps. Son bébé s’est prestement échappé de son berceau et malgré tous ses efforts pour le ramener à la maison, sa création lui a prouvé qu’on ne possède rien, même pas ses propres idées.

Morale de cette histoire vraie, ne jamais sous-estimer le pouvoir d’une idée. Une fois lancée dans l’univers, elle possède sa vie propre et ses propres amours. Alors, pensez-y avant de diffuser vos réflexions. Elles pourraient vous surprendre et il sera ensuite trop tard pour fuir votre paternité. Il vous restera à prendre un verre de vin en vous disant que vous avez fait votre gros possible, mais que force est de constater qu’elles n’en font qu’à leur tête.

Finalement, la théorie de la relativité générale et ma fille, c’est du pareil au même.

Photo: Ciel & Espace