L’évaporation des trous noirs ou le canard de bain de Stephen Hawking
Imaginez vous dans un bon bain chaud, entouré de bulles relaxantes et de vapeurs odorantes. C'est agréable n'est-ce pas ? Votre canard de bain est là aussi, voguant à la surface de l'eau et guidé au rythme de vos mouvements aériens, presque inconscients.
Détendu, l'eau devenue tiède, vous décidez de sortir pour regarder un film, lire un livre, écouter de la musique que sais-je encore ? Vous tirez sur la petite cordelette du bouchon et l'eau s’engouffre dans le siphon. Vous vous séchez. À peine avez-vous mis votre peignoir que vous apercevez votre canard entraîné, doucement mais sûrement, de plus en plus vite, dans une spirale infernale. Vous venez de créer un trou noir ! ici, dans votre baignoire. Et votre canard en fait les frais : il ne peut s’échapper de l'attraction du flot et demeure condamné à une chute inexorable exactement comme s'il était placé dans le voisinage d'un véritable trou noir côtoyant les étoiles et qui absorberait tout, votre canard, votre baignoire, la Terre et le Soleil, etc., et même la lumière – d'où son nom.
Vu d'artiste d'un trou noir par Roen Kelly. D'après la théorie de la relativité d'Einstein, les trajectoires des objets suivent la déformation de l'espace. De même qu'un canard dérive vers un vortex (une déchirure du fluide), les planètes, la poussière et les particules sont happés par la déchirure de l'espace : le trou noir.
Quelques jours plus tard, vous faites connaissance avec le chat de Schrödinger et vous vous demandez comment ce chat quantique réagirait dans votre superbe trou noir hydraulique. Mais un chat, mort ou vivant (les deux en fait !) ça n'aime pas beaucoup les bains. Les canards, par contre...
Alors, à la manière de Schrödinger, vous décidez d’appliquer les lois de la physique quantique aux canards de bain. Juste comme ça, juste pour voir. Vous reprenez un bain et parvenez à créer deux canards à partir de rien, l'un noir débiteur en énergie et l'autre blanc créditeur en énergie. Instantanément les deux canards se prennent de bec ; et, étant de force égale, finissent par s’annihiler spontanément car la nature ne supporte pas les déséquilibres énergétiques comme celui-ci. L'instabilité volatile venue tout droit du vide est repartie dans le néant calme et silencieux de votre salle de bain.
Illustration par Nicolle Rager Fuller
L'eau se refroidit et vous décidez de sortir. Soudain, l'eau s’engageant vers les profondeurs de la tuyauterie, vos deux canards quantiques cohabitent dans votre baignoire. Le noir, créé au bord de la tornade, est littéralement happé par votre trou noir et le blanc parviens à s’échapper in-extrémiste. Alors que le premier s’engouffre dans l’embouchure, vous voilà avec un canard quantique sur les bras.
L’expérience se répète sans que vous ne puissiez la contrôler. Vous devenez très vite submergé ; vous croulez sous les canards blancs. Mais jamais un canard noir ne s’échappe : tous vont rejoindre le premier dans l’abysse. Étonnant ! ce vilain petit canard est un signe. Ces canards obstruent l'embouchure de votre trou noir qui disparaît, s’évanouit, s'évapore, en même temps que le courant dans votre baignoire.
Bien plus qu'une simple analogie, il existe des liens directs et profonds entre la relativité générale (qui rend compte de l'attraction exercée sur les objets par un trou noir), la physique quantique (qui explique la création de particules, ou de canard, à partir du vide) et la mécanique des fluides (qui décrit l'écoulement d'un fluide dans une baignoire et le mouvement des canards de bains), à tel point que deux expériences récentes d'hydrodynamique visant à mieux appréhender le phénomène d'évaporation des trous noirs sont actuellement en cours à l'université de Nottingham en Angleterre.
Pour l’anecdote, en 1973, Stephen Hawking prouva que rien ne pouvait s’échapper d'un trou noir, encore moins un canard qui ne peut être qu'absorbé. Un an plus tard, il découvrit qu'ils émettent des particules quantiques en absorbant de l'énergie négative, des canards noirs en quelque sorte. On parle d'évaporation des trous noirs par radiation Hawking. Fait troublant, dans ses deux articles, il n'y a aucune erreur. L'un nous dit que les trous noirs ne peuvent que grossir et l'autre décrit le processus par lequel ils rapetissent jusqu’à disparaître.
Au-delà des interrogations suscitées par ce paradoxe, c'est un phénomène des plus intéressants de la physique moderne. Étudier l'effet Hawking, c'est faire appelle à toutes les théories fondamentales actuellement valides ; le comprendre pourrait être un point de départ prometteur pour l'unification des lois de la physique.
En attendant, pourquoi ne pas prendre un bain et songer à la mousse en surface...