Trous noirs : pourquoi un Nobel de la relativité en 2020 ?

Intervenant 10:00

Bienvenue dans le podcast du magazine Tangente. C'est vraiment un immense bonheur de lancer cette nouvelle exploration aujourd'hui. Oh

Intervenant 20:07

oui, je suis ravie d'être là pour aborder ce sujet.

Intervenant 10:10

Alors, quand on pense au génie scientifique absolu, un seul nom vient instantanément à l'esprit en général.

Intervenant 20:17

Albert Einstein. Forcément.

Intervenant 10:19

Voilà, c'est ça. Sa célébrissime théorie de la relativité générale, elle a littéralement redessiné notre compréhension de l'univers de l'espace du temps.

Intervenant 20:29

Tout à fait. C'est le pilier de la physique moderne.

Intervenant 10:32

Et pourtant, il y a un truc très étonnant dans nos sources. Si l'on regarde attentivement la liste des prix Nobel de physique depuis sa création, la relativité d'Einstein a été pratiquement ignorée par le comité pendant près d'un siècle.

Intervenant 20:44

C'est fou quand on y pense. Il y a bien eu une exception notable avec le prix en 93 sur les pulsars qui étaient liés à la gravitation. Mais sinon, c'était le silence radio.

Intervenant 10:56

C'est clair, le mot relativité semblait être un véritable tabou institutionnel. Et du coup, pourquoi un tel retard ? Eh bien, c'est le point de départ de notre voyage d'aujourd'hui. On va plonger au cœur du prix Nobel de physique de l'année 2020.

Intervenant 21:10

Le fameux prix attribué à Roger Penrose, Andrea Gays et Reinhard Genzel.

Intervenant 11:15

Exactement. Et on ne va pas se contenter d'effleurer la surface. On va vraiment disséquer l'anatomie de ces monstres cosmiques et découvrir une élégance mathématique qui est tellement folle qu'elle finit par dicter la réalité physique de notre propre univers.

Intervenant 21:30

Cette histoire, en fait, elle est fascinante parce qu'elle illustre un renversement total de perspectives. Le prix Nobel 2020, ce n'est pas seulement la consécration de l'astronomie des trous noirs.

Intervenant 11:42

C'est plus profond que ça.

Intervenant 21:43

Absolument, c'est surtout la reconnaissance éclatante que les mathématiques pures, vraiment dans ce qu'elles ont plus abstrait, elles sont capables de précéder et même d'imposer l'existence d'objets astronomiques réels.

Intervenant 11:55

Mais avant d'arriver à ce triomphe, il y a quand même ce paradoxe historique incroyable qu'on a soulevé, comment la théorie fondatrice de toute l'astrophysique moderne a-t-elle pu patienter si longtemps dans l'antichambre des Nobel ?

Intervenant 22:09

Eh bien, pour comprendre ça, il faut remonter à la période la plus sombre de la relativité générale. Une époque où la théorie d'Einstein était presque perçue comme une relique un peu embarrassante.

Intervenant 12:20

Une relique embarrassante, carrément.

Intervenant 22:22

Oui, c'est ça. Il faut se replonger dans le climat scientifique qui s'étend des années 20 jusqu'au début des années 60. C'est d'ailleurs ce que les historiens des sciences appellent souvent la traversée du désert de la relativité générale.

Intervenant 12:33

La traversée du désert, oui. Parce qu'à la fin de sa vie, Einstein, qui s'éta en 55 d'ailleurs, il offre le portrait assez tragique d'un génie complètement isolé.

Intervenant 22:43

C'est ça, il était presque marginalisé par la nouvelle génération de physiciens, tu vois. En fait, il s'était enfermé dans une quête solitaire et totalement infructueuse pour élaborer une théorie des champs unifiés.

Intervenant 12:54

En gros, il cherchait désespérément à fusionner la gravitation avec l'électromagnétisme. Il cherchait l'équation ultime de l'univers, quoi.

Intervenant 23:02

Exactement, et il s'est heurté à un mur, un mur infranchissable à l'époque. Et pendant qu'il s'acharnait sur ce projet, il menait aussi une guerre intellectuelle féroce contre la physique quantique.

Intervenant 13:12

Ah oui, la fameuse histoire. Il refusait viscéralement son caractère probabiliste. L'idée que Dieu joue au dé, tout ça.

Intervenant 23:20

Voilà. Et pendant qu'Einstein s'isolait dans son coin, la mécanique quantique enchaînait les triomphes expérimentaux. Elle posait carrément les fondations de ce qui allait devenir le modèle standard de la physique des particules.

Intervenant 13:32

Si on devait filer une petite métaphore pour bien visualiser l'ambiance de l'époque, c'est un peu comme si la physique quantique et l'étude des particules, c'était le nouveau jouet brillant du monde scientifique.

Intervenant 23:41

Oui, tout à fait. C'est une super image.

Intervenant 13:44

On construisait d'immenses accélérateurs de particules. On découvrait des nouvelles particules tous les mois. Et puis, il y avait aussi les débuts de la conquête spatiale qui monopolisait toute la tension.

Intervenant 23:54

C'est ça. Toute l'énergie, tous les financements massifs allaient là-dedans.

Intervenant 13:57

Et donc, logiquement, tous les prix Nobel affluaient vers ces domaines où on pouvait mesurer des trucs concrets en laboratoire. La relativité générale, en revanche, elle était reléguée au rôle de la belle endormie.

Intervenant 24:08

La belle endormie, oui. L'expression résume parfaitement la situation. C'était une construction mathématique magnifique, certes, mais qui semblait incapable de produire de nouvelles prédictions qu'on pouvait observer.

Intervenant 14:19

Elle était un peu confinée au manuel scolaire, quoi.

Intervenant 24:22

Voilà, il y a bien eu quelques frémissements à la fin des années 50. Par exemple, avec des expériences comme celle de Pound et Repka, ils ont réussi à mesurer le décalage vers le rouge gravitationnel de la lumière en laboratoire.

Intervenant 14:35

Ah, donc ils ont prouvé qu'un champ de gravité altère vraiment le passage du temps ?

Intervenant 24:39

Exactement. C'est une très belle validation expérimentale, mais bon, ça restait confiné à des champs de gravité super faibles. Il manquait vraiment l'étincelle capable de propulser la relativité dans les environnements les plus extrêmes du cosmos.

Intervenant 14:53

Donc on a des petits frémissements, d'accord, mais pas de véritable séisme. Et ce qui est hyper surprenant dans l'histoire, c'est que le réveil de cette belle endormie, il ne viendra pas d'un nouveau télescope révolutionnaire, par exemple.

Intervenant 25:05

Ah non, pas du tout. Le point de bascule va provenir d'un arsenal mathématique radicalement différent. Un arsenal qui a été introduit par une avant-garde de théoriciens au tout début des années 60.

Intervenant 15:16

C'est le grand

Intervenant 25:17

tournant, ça. Exactement. Tu vois, les équations d'Einstein qui ont été formulées en 1915, ce sont des équations aux dérivés partiels non linéaires. Et ça, c'est extrêmement ardu à résoudre.

Intervenant 15:27

J'imagine, oui.

Intervenant 25:29

Pendant des décennies, la seule façon de trouver des solutions exactes, c'était de supposer un univers parfaitement symétrique, figé. Ce qui ne correspond pas du tout à la réalité chaotique de l'astronomie.

Intervenant 15:41

L'univers est tout sauf figé et symétrique.

Intervenant 25:45

Tout à fait. Mais en 1963, il y a ce mathématicien néo-zélandais, Roy Kerr, qui réussit un véritable tour de force. Il trouve une solution mathématique exacte décrivant l'espace-temps autour d'une masse en rotation.

Intervenant 15:58

Et ça, c'est capital. Parce que dans le vrai univers, toutes les étoiles tournent sur elles-mêmes. Une étoile totalement immobile, ça n'existe pas en fait.

Intervenant 26:08

Absolument. La solution de Kerr, elle prouve soudainement que la théorie d'Einstein peut modéliser des objets physiques complexes et surtout réalistes. Et c'est exactement dans ce terreau théorique tout neuf que le génie britannique Roger Penrose va faire son entrée.

Intervenant 16:24

Et c'est là que l'approche va changer du tout au tout. Penrose, il ne va pas simplement s'attaquer aux équations différentielles en prenant un plus gros crayon si on peut dire. Non, il va faire beaucoup mieux. Il va importer des concepts mathématiques qui n'avaient jamais été utilisés en astrophysique jusque-là.

Intervenant 26:41

La véritable révolution de Penrose, elle réside dans sa méthodologie. Au lieu de s'obstiner à calculer précisément la courbure locale de l'espace-temps millimètre par millimètre, ce qui était de toute façon impossible pour une étoile qui s'effondre de manière asymétrique, il a introduit des techniques issues de la topologie différentielle.

Intervenant 17:00

La topologie différentielle. Pour le dire simplement, c'est quoi l'idée derrière ça ?

Intervenant 27:04

La topologie, c'est l'étude des propriétés globales des espaces qui sont préservés sous des déformations continues. En gros, elle se moque totalement des petits détails locaux.

Intervenant 17:13

Ah d'accord. Pour donner une image très classique qu'on voit souvent en maths, pour un topologue, une tasse de café ou un donut, c'est exactement la même chose.

Intervenant 27:21

Exactement. Parce que les deux objets possèdent un seul trou. La forme exacte de la poignée de la tasse, ça n'a aucune importance pour le topologue.

Intervenant 17:28

C'est fou. Et donc Penrose a pris cette philosophie très abstraite et il l'a appliquée au tissu même de l'univers. Mais comment ça s'applique concrètement à la relativité ? Parce qu'avant lui, on avait déjà des modèles de trous noirs avec Schwarzschild ou Oppenheimer dans les années 30, non ?