Si l’on pouvait voyager dans l’espace et dans le temps, jusqu’en 1609 sur le campus de l’Université de Padoue en Italie, on y verrait peut-être Galilée, muni de sa lunette améliorée, en train de tirer le rideau noir qui masquait jusqu’alors la compréhension humaine de l’univers.
Il a vu les lunes de Jupiter, les phases de Vénus, des taches sombres sur le Soleil, et une myriade d’étoiles de la Voie lactée. Ce faisant, il a révolutionné notre compréhension de l’univers — et de notre place en son sein.
Des siècles plus tard, Carlo Rovelli est né à quelques kilomètres de Padoue. Aujourd’hui, il repousse encore ce voile, en s’appuyant sur la gravité quantique à boucles — un domaine de la physique théorique qu’il a fondé avec ses collègues, dont Lee Smolin de l’Institut Périmètre — pour décrire le cosmos en termes de réseaux de blocs constitutifs de l’espace-temps.
« Galilée a vécu un moment de clarté fabuleux », a raconté Rovelli lors d’une entrevue récente. « Il a eu l’idée d’explorer attentivement les étoiles avec un télescope nouvellement inventé. C’était un grand observateur, méticuleux, et il a été émerveillé par ce qu’il a vu. »
La science et la technologie ont fait des bonds spectaculaires depuis plus de 400 ans. Aujourd’hui, nous disposons d’instruments extraordinaires comme le télescope Event Horizon, qui nous a offert des images de trous noirs supermassifs. Tout comme Galilée, « nous regardons vers l’extérieur, découvrons de nouvelles choses sur l’Univers, et en même temps nous comprenons mieux qui nous sommes », dit Rovelli.
Rovelli est un communicateur prolifique d’idées scientifiques majeures auprès du grand public. Parmi ses ouvrages les plus populaires figurent Sept brèves leçons de physique, L’ordre du temps, La réalité n’est pas ce qu’elle semble : Le voyage vers la gravité quantique, Helgoland : Comprendre la révolution quantique, ainsi que son plus récent livre, Trous blancs.
Il est également titulaire d’une chaire de chercheur invité distingué à l’Institut Périmètre, professeur adjoint à l’Université Western, membre du corps professoral fractal de l’Institut Santa Fe pour la complexité, et professeur à l’Université d’Aix-Marseille, en France.
Rovelli s’intéresse actuellement au fonctionnement interne des trous noirs. Lors d’une récente conférence publique à l’Institut Périmètre, il a décrit un voyage à travers l’horizon des événements d’un trou noir, jusqu’à sa singularité, et a expliqué comment tout ce qui tombe à l’intérieur pourrait, après un très long moment, en ressortir.
Il explore l’hypothèse selon laquelle les trous noirs pourraient se transformer en minuscules « trous blancs », à partir desquels des particules pourraient s’échapper. Ces minuscules trous blancs, issus de trous noirs primordiaux, sont également des candidats potentiels pour expliquer la matière noire – cette mystérieuse entité nécessaire pour rendre compte des interactions gravitationnelles observées dans les galaxies et les amas de galaxies.
“People are fascinated by black holes, but I would say scientists are fascinated by black holes even more; they are truly marvels of the universe,”
« L’une des découvertes les plus surprenantes des vingt dernières années, c’est que l’univers est rempli de trous noirs, qui sont des objets vraiment étranges », ajoute-t-il.
La possibilité de l’existence des trous noirs est prédite par la théorie de la gravitation d’Albert Einstein : la relativité générale. Les équations décrivent comment l’espace-temps se courbe et s’affaisse sous l’effet de masses importantes, générant ainsi ce que nous percevons comme la gravité.
Ces équations montrent qu’une étoile peut s’effondrer jusqu’au point où la gravité devient si intense que rien — pas même la lumière — ne peut s’échapper de sa frontière, appelée l’horizon des événements. C’est ce qu’on appelle un trou noir.
Pendant de nombreuses années après Einstein, les trous noirs demeuraient purement hypothétiques. Aujourd’hui, nous avons de nombreuses observations qui confirment leur existence. Nous pouvons observer les visages sombres des trous noirs entourés d’anneaux caractéristiques — des distorsions optiques causées par le trou lui-même, sur la lumière émise par le gaz et la poussière environnants. Nous pouvons aussi suivre les trajectoires des étoiles en orbite autour d’un trou noir.
Mais les questions fascinantes sont les suivantes : que se passe-t-il si l’on tombe dans un trou noir? Que trouve-t-on au cœur obscur d’un tel objet? C’est ici que la science dépend de penseurs comme Rovelli, un théoricien. Son travail est d’imaginer et de modéliser ce qui pourrait s’y produire.
Si vous tombiez dans un trou noir de masse stellaire — disons environ 50 fois la masse du Soleil — les forces de marée vous déchireraient rapidement. Vous seriez étiré, « spaghettifié ». Si vous tombiez plutôt dans un énorme trou noir supermassif, des milliards de fois plus massif que le Soleil, comme ceux qu’on trouve au centre des galaxies, les forces de marée seraient initialement moins intenses. Vous pourriez survivre un certain temps… mais vous seriez tout de même écrasé, et vous n’en ressortiriez pas indemne.
À l’intérieur du trou noir
L’un des aspects les plus fascinants de la théorie d’Einstein est que l’espace et le temps sont déformés par la masse. Le temps ne s’écoule pas au même rythme pour tous les observateurs : tout dépend s’ils tombent dans le trou noir ou s’ils l’observent de l’extérieur.
Pour la personne qui franchit l’horizon des événements, sa montre semblera fonctionner normalement. Mais pour quelqu’un à bord d’un vaisseau spatial éloigné du trou noir, son collègue semblera ralentir, puis se figer — comme si le temps s’arrêtait. Finalement, à mesure que la lumière réfléchie est étirée, l’image finira par disparaître.
La théorie d’Einstein décrit ce qui arrive à la matière qui tombe dans un trou noir… mais seulement jusqu’à un certain point. Cette matière finit par atteindre une région où l’espace est si fortement courbé que la théorie d’Einstein ne s’applique plus : les effets quantiques prennent alors le relais.
Un résultat célèbre obtenu par le défunt Stephen Hawking est que les trous noirs émettent un rayonnement, et que leur horizon finit par rétrécir. Mais même si l’horizon diminue, il se pourrait que cela ne soit pas vrai pour leur intérieur. Le volume interne peut continuer de croître, même si la surface de l’horizon qui l’entoure devient plus petite, explique Rovelli. Avec le temps, l’intérieur du trou ressemble à un tube qui s’allonge tout en s’amincissant. Imaginez un souffleur de verre allongeant le goulot d’une bouteille : plus il souffle, plus le col s’étire. Le volume du tube peut augmenter même si la gorge devient plus étroite. C’est un peu comme le Tardis du Doctor Who – plus grand à l’intérieur qu’à l’extérieur.
À mesure que le souffleur cosmique allonge ce col de plus en plus fin, tout devient si compressé que les effets quantiques prennent une importance grandissante, jusqu’à dominer. C’est ici qu’entre en jeu la théorie de la gravité quantique à boucles. Selon cette théorie, ce qui se produit ensuite peut être un rebond : le trou noir devient un trou blanc.
Pourquoi n’a-t-on pas encore observé de trous blancs?
La possibilité de l’existence des trous blancs est également prédite par la théorie d’Einstein. Jusqu’à présent, aucun trou blanc n’a été observé, mais cela ne signifie pas qu’ils n’existent pas, affirme Rovelli.
Les grands trous noirs, comme ceux que l’on voit dans les images du Télescope Horizon des Événements, n’auraient pas encore eu le temps de se transformer en trous blancs, explique-t-il. En revanche, de minuscules trous noirs pourraient s’être formés dans l’univers primordial, et ceux-ci auraient pu muter en trous blancs, puisque pour les petits trous noirs, la transition vers un trou blanc se ferait beaucoup plus rapidement.
De plus, les grands trous blancs sont instables : ils peuvent redevenir des trous noirs. Mais les petits trous blancs, dit Rovelli, peuvent être stabilisés par la gravité quantique.
De minuscules trous blancs pourraient expliquer la matière noire
Rovelli suggère qu’il est possible que ces petits trous blancs puissent expliquer la mystérieuse matière noire.
La matière noire est nécessaire pour expliquer les interactions gravitationnelles que l’on peut détecter dans les galaxies et les amas de galaxies. En fait, selon les calculs sur la quantité de matière requise pour expliquer ces interactions, on pense qu’environ quatre cinquièmes de la matière qui remplit l’univers est composée de cette matière « noire », bien que l’on ne sache pas de quoi elle est constituée.
Rovelli affirme qu’il est possible que la matière noire soit constituée de ces minuscules trous blancs formés dans l’univers primordial, mais qui ne sont pas perceptibles pour nous en raison de leur très faible masse.
Lui et ses collaborateurs ont récemment publié un article proposant des idées pour construire un détecteur utilisant une technologie quantique avancée, suffisamment sensible pour détecter ces petits trous blancs. S’ils sont détectés, cela permettrait non seulement de valider la gravité quantique à boucles, mais aussi d’expliquer la matière noire.
« Nous espérons que des expérimentateurs s’empareront de l’idée, commenceront à développer ce détecteur et travailleront dans cette direction », dit Rovelli.
Tout est relation
Un aspect central du travail de Rovelli est l’interprétation relationnelle de la mécanique quantique. Cette interprétation décrit les phénomènes quantiques comme une conséquence du fait que toutes les propriétés d’un objet ne sont que des façons dont cet objet interagit avec d’autres objets. La gravité quantique à boucles est cohérente avec cette interprétation de la théorie quantique. L’espace-temps peut être conçu comme étant formé de réseaux de blocs fondamentaux d’espace-temps en relation les uns avec les autres.
Rovelli travaille également depuis longtemps sur plusieurs problèmes liés à la compréhension de la nature du temps.
Les équations fondamentales de la physique classique comme de la physique quantique ne distinguent pas le passé du futur. Mais cela ne signifie pas que le temps n’a pas de direction dans la nature : cela signifie simplement que cette direction ne figure pas dans les équations fondamentales, explique Rovelli.
Il pense que la direction du temps est une conséquence de la façon dont l’entropie évolue, comme le décrit la deuxième loi de la thermodynamique. L’entropie est déterminée par l’incertitude intrinsèque que nous avons quant à l’état microscopique exact de ce que nous observons, précise Rovelli.
Mais cela ne veut pas dire que la direction du temps est déterminée par notre esprit, par notre connaissance ou notre ignorance, ajoute-t-il. « Le point subtil, c’est que l’entropie elle-même est une quantité relationnelle », affirme Rovelli.
Changer notre façon de penser, laisser les préjugés derrière
Depuis l’adolescence, Rovelli s’intéressait aux grandes questions philosophiques. Il ne s’attendait pas à trouver des réponses définitives ou finales dans la science, mais il voulait étudier la physique pour savoir ce qu’elle avait à dire sur le monde. « À ma grande surprise, elle en dit plus que ce à quoi je m’attendais », affirme Rovelli.
“For me, science is not about problem-solving; it is not about technicalities. It is to be thinking about the big questions. What is reality? Where are we?”
La science est une leçon d’humilité, ajoute Rovelli. « La science n’a pas toutes les réponses, parce qu’en tant qu’êtres humains, nous ne pouvons pas tout savoir. Nous ne saurons peut-être jamais d’où vient l’univers. Mais ce n’est pas grave. Nous pouvons vivre avec l’ignorance, tant que nous sommes conscients de notre ignorance. Et nous pouvons tout de même continuer à apprendre. »
Comme Galilée avec sa lunette, nous ouvrons peu à peu notre esprit à des perspectives que nous n’avions jamais envisagées auparavant, dit Rovelli. Il fut un temps où les humains croyaient que la Terre était plate ; il y a deux millénaires, en l’observant, ils ont compris qu’elle était ronde. Il fut un temps où l’on pensait que la Terre était le centre de l’univers ; il y a quatre siècles, on a levé les yeux vers le ciel et découvert un cosmos immense – et que nous n’en étions certainement pas le centre. Les humains ont longtemps cru qu’une heure durait toujours une heure, peu importe où l’on se trouve. Puis, avec les théories d’Einstein, on a compris que ce n’est pas le cas.
« Nous changeons d’avis sur les gens, sur l’espace, sur le temps », dit Rovelli. C’est cela que fait la science, ajoute-t-il. « Ce n’est pas seulement qu’on apprend de nouvelles choses grâce à la science, c’est aussi qu’on réalise que ce que l’on croyait vrai ne l’était pas. »
“Some people are attracted by science because they think it offers certainty. I am attracted by science because it demolishes certainty,”
« Nous sortons de notre stupidité, de notre étroitesse d’esprit. Plus on en apprend sur l’univers, plus on se libère de nos préjugés. Du moins, c’est mon optimisme », dit-il. « L’humanité est comme un village, et nous sommes en train d’en sortir pour découvrir le monde. »
À découvrir :
Dans le cadre de notre 25e anniversaire, Perimeter présente ce mois-ci une exposition sur Galilée, en partenariat avec l’ambassade d’Italie et le musée Galilée de Florence.
À propos de l’IP
L'Institut Périmètre est le plus grand centre de recherche en physique théorique au monde. Fondé en 1999, cet institut indépendant vise à favoriser les percées dans la compréhension fondamentale de notre univers, des plus infimes particules au cosmos tout entier. Les recherches effectuées à l’Institut Périmètre reposent sur l'idée que la science fondamentale fait progresser le savoir humain et catalyse l'innovation, et que la physique théorique d'aujourd'hui est la technologie de demain. Situé dans la région de Waterloo, cet établissement sans but lucratif met de l'avant un partenariat public-privé unique en son genre avec entre autres les gouvernements de l'Ontario et du Canada. Il facilite la recherche de pointe, forme la prochaine génération de pionniers de la science et communique le pouvoir de la physique grâce à des programmes primés d'éducation et de vulgarisation.
