entropie des trous noirs

Un réseau de radiotélescopes dispersés sur toute la planète capte le murmure d'un trou noir lointain. Chaque antenne enregistre un signal, mais comment combiner ces enregistrements si les horloges des stations ne battent pas à la même vitesse et si l'atmosphère déforme les ondes qui arrivent ?

Un trou noir n'est pas qu'une tache sombre dans l'espace. Il a une température, il rayonne. Il a une entropie — une mesure de l'information cachée, inscrite sur la surface de son horizon comme un motif sur une bulle de savon.

Un thermomètre capricieux affiche des températures différentes selon celui qui le regarde. C'est à peu près ce que fait un trou noir : ses propriétés thermiques — entropie et température — dépendent de la façon dont nous décrivons l'information qu'il recèle.

Une usine capable de produire un million de pièces par heure n'en fabrique pourtant qu'une centaine. C'est à peu près ce que fait notre Univers, si on le regarde à travers le prisme de l'entropie — cette mesure du désordre qui, selon les lois de la physique, ne peut qu'augmenter. Les principales « machines » de cette usine sont les trous noirs supermassifs.

En 1973, Jacob Bekenstein a proposé que les trous noirs possèdent une entropie — une mesure du désordre caché. Stephen Hawking a ensuite confirmé cette idée en ajoutant le rayonnement, mais l'origine microscopique de l'entropie restait obscure.

L'horizon cosmologique — la limite de l'univers observable, qui est en expansion accélérée — ressemble à un coffre-fort à minuterie. L'information sur ce qui franchit cette frontière ne disparaît pas, elle revient, mais avec un délai. Des physiciens ont déterminé la durée de cette pause.

Au centre de nombreuses galaxies se cachent des trous noirs supermassifs. L'un d'eux — Sagittaire A* au cœur de la Voie lactée — est devenu un terrain d'essai pour une nouvelle idée. Les auteurs de l'étude ont pris la gravité einsteinienne et y ont ajouté un champ électromagnétique inhabituel.

Un trou noir ressemble à une pièce parfaitement sombre : de l'extérieur, on ne voit pas ce qui se trouve à l'intérieur, et celui qui franchit le seuil semble disparaître pour le monde extérieur. Mais que ressent l'observateur en chute libre ?

Au centre de la galaxie M87, à 55 millions d'années-lumière de nous, se cache un trou noir d'une masse équivalente à 6,5 milliards de Soleils. En 2019, le télescope Event Horizon Telescope (EHT) en a montré pour la première fois le portrait : un beignet orange avec un cœur sombre.

Un trou noir ressemble à un aspirateur idéal : tout ce qui franchit son horizon disparaît sans laisser de trace. Mais cet aspirateur a une particularité étrange : son « sac à poussière » augmente, et la taille du sac permet de savoir combien de choses y sont tombées.

Effacer ne serait-ce qu'un bit, c'est libérer de la chaleur. Cette découverte de Rolf Landauer a suggéré que l'information n'est pas matérielle, mais pas non plus illusoire. Imaginez que chaque événement projette une ombre — c'est cela, l'information : l'ensemble de toutes les possibilités non advenues.

Un trou noir n'est pas simplement un aspirateur cosmique. C'est une région où la gravité est si intense que même la lumière ne peut s'en échapper. Mais si on le plonge dans un fluide parfait de matière noire et qu'on ajoute un nuage de cordes — de fins filaments tendus à travers tout l'espace — le tableau se complique.

L'espace-temps est comme une immense feuille de papier. Pliez-la – et des coins éloignés se retrouvent proches. Percez-la avec un crayon – vous obtenez un trou de ver, un tunnel court à travers les plis. Mais le papier tend à se déplier, refermant le passage. Pour le maintenir ouvert, il faut une « cale » rare : de la matière à énergie négative.

Un trou noir acoustique est un flux de fluide plus rapide que le son, si bien que les ondes sonores ne peuvent pas s'en échapper. La frontière — la surface où la vitesse du flux atteint la vitesse du son — engendre des paires de phonons : des quanta de son dont l'un s'éloigne tandis que l'autre tombe vers l'intérieur.

Un trou noir ressemble à un coffre-fort idéal : tout ce qui y tombe semble perdu à jamais. Mais à l'échelle microscopique, il ne détruit pas l'information, il la mélange avec ses degrés de liberté internes, un peu comme un jeu de cartes après un battage minutieux.

La lumière qui tombe dans un trou noir transporte de l'information — par exemple, le chemin qu'a suivi un photon. L'horizon (la surface sous laquelle rien ne revient) réagit en modifiant son entropie — une mesure du désordre, comparable au nombre de pages mélangées dans un livre.

Une particule quantique peut être dans deux états à la fois — comme une pièce qui tourne, à la fois pile et face. Près d'un trou noir, l'horizon des événements — là où la courbure de l'espace-temps courbe l'espace et le temps à l'extrême — agit comme une porte à sens unique.

L'horizon d'un trou noir est souvent représenté comme une membrane unidirectionnelle : tout tombe à l'intérieur, rien n'en sort. Mais et si ce n'était pas une frontière vide, mais un nuage de minuscules « morceaux » de l'espace-temps lui-même ?

Un trou noir est généralement représenté comme un abîme avec une frontière de non-retour. Pour sauver l'information, qui selon les lois quantiques ne peut pas disparaître, les physiciens ont remplacé cette frontière par une pelote duveteuse de cordes microscopiques. Les données qui y tombent s'impriment à jamais dans ses fils entrelacés.

On lance deux pièces dans des villes différentes, mais elles retombent toujours du même côté. Les physiciens appellent cela l'intrication : les particules se comportent comme si un fil invisible les reliait. Mais et si ce fil n'était pas instantané, simplement très rapide, mais toujours pas plus rapide que la lumière ?

Le temps est une route à sens unique : les événements filent vers l'avant sans possibilité de faire demi-tour. La flèche directionnelle est pilotée par l'entropie — cette mesure du désordre qui ne fait qu'augmenter dans l'Univers, comme les embouteillages aux heures de pointe. On peut dégager un carrefour, mais le bouchon global ne fera que s'épaissir.

En 1989, John Wheeler a formulé une idée audacieuse : « it from bit », tout ce qui existe provient de l'information. Longtemps, cela est resté une belle métaphore, mais aujourd'hui des physiciens ont trouvé un mécanisme concret qui transforme les bits en particules.

Lorsque l'entropie atteint son maximum, la pièce est terminée. Le rideau tombe, les acteurs se dispersent, les décors se figent. Mais la scène, elle, demeure. C'est exactement ce qui se passe avec le temps : la mort thermique de l'Univers efface la direction « passé-futur », mais pas le temps lui-même.