Une issue de secours dans les trous noirs : un autre univers ?

L'audacieuse suggestion de Hawking, et pourquoi nous en parlons encore

Lorsque Stephen Hawking a annoncé pour la première fois que les trous noirs émettent un rayonnement thermique, il a renversé un siècle de certitudes : ces objets, que l'on pensait autrefois capables de dissimuler toute information à jamais, pourraient lentement s'évaporer. Cette prise de conscience a créé le paradoxe moderne de l'information — si le rayonnement de Hawking est réellement aléatoire, les détails quantiques de tout ce qui est tombé dans un trou noir seraient irrémédiablement perdus, et les lois de la mécanique quantique seraient brisées. Au cours des dernières décennies, ce paradoxe a été le moteur de certains des développements les plus vifs de la physique théorique : l'holographie, la complémentarité, les calculs d' intrication et, plus récemment, l'idée d'« îles » d' intrication qui transportent l'information hors du trou noir.

Pourquoi ce paradoxe était crucial

La tension est simple à énoncer mais profonde dans ses conséquences. La théorie quantique insiste sur le fait que les processus physiques sont unitaires : la connaissance du présent permet, en principe, de reconstruire le passé. La relativité générale, dans le calcul semi-classique de Hawking, semblait démontrer le contraire pour les trous noirs. Si l'information était véritablement perdue, les piliers fondamentaux de la physique — la mécanique statistique et la théorie quantique elle-même — seraient en péril. Il en a résulté une lutte intellectuelle de plusieurs décennies entre les partisans de différents points de vue : certains soutenaient que l'information devait être détruite, d'autres qu'elle était codée dans des corrélations subtiles ou au niveau de l'horizon.

Du paradoxe au consensus de travail : l'information ressort

Deux axes de recherche au cours des dix dernières années ont poussé de nombreux théoriciens vers un consensus pratique : les effets de la gravité quantique, aussi infimes soient-ils, peuvent modifier la conclusion originale de Hawking de sorte que l'information ne soit pas perdue ; et le point de vue holographique offre un cadre solide sur la manière dont cela pourrait se produire. Des calculs utilisant des concepts issus de la correspondance holographique — une équivalence exacte entre certains systèmes gravitationnels et des théories quantiques des champs de dimension inférieure — montrent que l'entropie des trous noirs en évaporation suit la courbe de Page attendue pour une évolution unitaire. D'autres approches, qui examinent la structure d' intrication quantique du rayonnement, produisent des « îles » — des régions qui encodent efficacement l'information intérieure dans le rayonnement sortant.

Ces résultats sont importants car ils changent la donne : l'information sur ce qui est tombé à l'intérieur n'est pas détruite. Mais cette réponse s'accompagne d'une réserve de taille. L'information est généralement dispersée dans des volumes d'espace gigantesques et intriquée de manière exponentiellement complexe ; reconstruire un système quantique englouti à partir du rayonnement serait une tâche si redoutablement difficile qu'elle est pratiquement impossible en pratique.

Hologrammes, complémentarité et l'invisible pratique

Leonard Susskind et d'autres ont souligné que l'information n'est pas perdue en principe — l'unitarité est préservée — mais qu'elle devient inaccessible par le calcul. Une reconstruction externe nécessiterait un nombre astronomique d'opérations, rendant l'information effectivement irrécupérable dans toute expérience réaliste. Ainsi, la portée philosophique de l'affirmation originale de Hawking est atténuée : les lois restent intactes, mais le déterminisme devient une question de complexité pratique autant que de principe.

Un trou noir pourrait-il recracher de la matière dans un autre univers ?

L'idée que la matière tombante puisse finir dans un autre univers est plus ancienne que les récentes avancées techniques. Elle se présente sous plusieurs formes. L'une d'elles est l'image des trous noirs comme sites de nucléation d'« univers-bébés » : dans certains scénarios de gravité quantique, l'intérieur peut s'isoler et devenir un domaine en expansion déconnecté de notre espace-temps. Une autre voie passe par les trous de ver et une topologie non triviale : des effets quantiques pourraient relier des régions d'une manière que la relativité générale classique n'autorise pas.

Hawking lui-même a spéculé qu'une partie de ce qui traverse l'horizon pourrait réapparaître ailleurs — peut-être dans un univers séparé. Cela reste spéculatif. Les calculs contemporains qui restituent l'information à l'extérieur n'impliquent pas l'existence d'un tunnel physique visible qui transporterait des objets macroscopiques intacts dans un autre cosmos. Ils montrent plutôt comment les corrélations quantiques et les subtilités de l'espace-temps peuvent coder des informations sur les états intérieurs dans le rayonnement sortant. Pour un être humain ou un vaisseau spatial, les forces de marée et la thermalisation à l'horizon restent fatales ; la réponse pragmatique à la question de savoir si l'on peut traverser un trou noir et survivre est toujours non.

L'intérieur est la prochaine frontière

Le mystère le plus persistant est peut-être ce qui se passe réellement à l'intérieur d'un trou noir en évaporation. Les nouveaux calculs qui sauvent l'information fonctionnent principalement au niveau ou juste à l'extérieur de l'horizon, ou dans des « modèles jouets » adaptés aux duaux holographiques exacts. Ils ne donnent pas encore une image détaillée et généralement acceptée de la géométrie et de la dynamique intérieures. Les spéculations vont d'intérieurs lisses compatibles avec la complémentarité, à des « murs de feu » (firewalls) — des zones violentes de quanta de haute énergie à l'horizon — jusqu'à des équivalences plus exotiques où des configurations intérieures distinctes sont secrètement le même état vu sous différents angles de découpage de l'espace-temps.

Le lien avec l'inflation, le multivers et l'infini

La question de ce qui se trouve au-delà d'un trou noir se connecte naturellement à des idées cosmologiques plus larges. L'inflation cosmique et l'inflation éternelle prédisent un paysage de domaines causalement déconnectés ; dans certaines interprétations, il s'agit littéralement d'« autres univers ». Les physiciens ont également comparé le multivers produit par l'inflation éternelle — une collection d'univers-bulles proliférant de manière exponentielle — à la structure des mondes multiples issue de la mécanique quantique. Un point utile, bien que technique : différents types d'« infinis » apparaissent dans ces schémas. Le multivers inflationnaire tend vers un type d'infini exponentiel ; la structure de ramification des mondes multiples est combinatoire et pourrait représenter un type d'infini encore plus vaste.

Réconcilier ces infinis nous permet de savoir si un multivers quantique de toutes les possibilités pourrait être physiquement réalisé quelque part dans un espace-temps inflationnaire plus vaste. La pensée actuelle suggère qu'à moins que l'inflation ne soit éternelle dans le passé ou que la région en inflation ne soit née avec une étendue spatiale infinie, vous ne trouverez pas littéralement chaque branche de possibilité quantique réalisée comme une poche d'inflation distincte. Ce sont de profondes questions ouvertes qui croisent la cosmologie et les fondements quantiques, montrant comment la physique des trous noirs, la gravité quantique et la cosmologie font partie d'un même nœud conceptuel.

Ce qui compte pour la suite

Pour les chercheurs, la voie à suivre est technique et concrète : explorer l'intérieur, affiner le dictionnaire holographique, tester des modèles jouets et pousser la simulation quantique vers des régimes qui s'approchent de la dynamique gravitationnelle. Pour le public curieux, la leçon est plus subtile. Les trous noirs nous ont appris que le paradoxe est une force productive en physique : les contradictions apparentes nous obligent à inventer de nouvelles idées — holographie, complexité, surfaces extrémales quantiques — et ces idées trouvent souvent des applications bien au-delà de leur contexte original.

Où nous en sommes

Sources

• Nature (article de Stephen Hawking de 1974 sur le rayonnement des trous noirs)
• Stanford Institute for Theoretical Physics (recherches et perspectives sur l'information des trous noirs)
• Institute for Advanced Study (travaux sur l'holographie et la gravité quantique)
• University of California, Berkeley (îles d'intrication et calculs récents d'entropie)
• Event Horizon Telescope Collaboration (études observationnelles des environnements de trous noirs)
• University of Sussex (revues et commentaires sur la gravité quantique et l'information)