Le prix Nobel de physique 2020 pour les trous noirs (1/2) : Roger Penrose

Le prix Nobel de physique 2020 a été annoncé mardi 6 octobre en fin de matinée. L’Académie des sciences de Suède a récompensé trois pionniers de la recherche sur les trous noirs en la personne du théoricien britannique Roger Penrose (à qui va la moitié du prix) pour avoir découvert « que la formation d’un trou noir est une prédiction solide de la théorie de la relativité générale », des astronomes allemand Reinhard Genzel et américaine Andrea Ghez (qui se partagent l’autre moitié) pour « la découverte d’un objet compact supermassif dans le centre de notre galaxie ».

Les trois lauréats 2020 (un peu plus jeunes qu’actuellement !)

Autant dire que j’ai été extrêmement surpris par cette annonce, et ce pour deux raisons. La première est que je ne pensais pas que le prix Nobel serait attribué deux années de suite à l’astrophysique. Souvenons-nous en effet que le prix 2019 était allé à un trio comprenant déjà un théoricien de l’astrophysique, Jim Peebles, pour ses travaux en cosmologie, et aux deux astronomes Michel Mayor et Didier Queloz pour leur découverte observationnelle de la première planète extrasolaire. Cette année la communauté des physiciens s’attendait donc plutôt à un prix récompensant les domaines de la théorie quantique et/ou de la physique des particules ainsi qu’aux innombrables expériences de laboratoire qui s’y rapportent. Il n’en a rien été, et c’est très bon signe pour les sciences de l’univers, qui semblent avoir le « vent en poupe » auprès de l’Académie suédoise !

Ma seconde surprise, bien plus grande encore, est que le prix récompense des travaux sur les trous noirs, ces énigmatiques puits de l’espace-temps dont ni matière ni lumière ne peuvent s’échapper. Non pas que le sujet ne le mérite pas, bien au contraire – je n’ai pas passé pour rien quarante années de passionnantes recherches sur ces objets exotiques ! –, mais c’est le choix des lauréats qui a de quoi surprendre. On m’aurait dit à l’avance : le prix Nobel va récompenser trois chercheurs pour leurs travaux sur les trous noirs, j’aurais immédiatement pensé, pour la partie observationnelle, aux deux directeurs, l’un américain, l’autre européen, de l’Event Horizon Telescope – qui, je le rappelle, à l’issue d’une quête de près de 20 ans, a délivré en avril 2019 la première image télescopique du trou noir géant situé au centre de la galaxie M87 –, et pour la partie théorique, au néo-zélandais Roy Kerr (86 ans) qui a découvert en 1963 la solution exacte des équations de la relativité générale décrivant un trou noir en rotation (la situation astrophysique générique).

Voir ici la conférence plénière que l’équipe américaine de l’Event Horizon Telescope m’avait invité à donner en mai 2019 à l’Université de Harvard.

Entendons-nous bien, ceci n’est pas une critique du choix de l’Académie suédoise (qui par le passé a pu en effet se montrer contestable !)  : pour moi, nul autre physicien que Roger Penrose méritait davantage le prix théorique. Pour la partie observationnelle, le choix de Genzel et Ghez – dont les travaux de longue haleine exclusivement centrés sur la traque du putatif trou noir galactique Sagittarius A* font référence – me semble plus diplomatique, voire « politiquement correct », car partagé d’une part entre deux équipes, l’une européenne avec Genzel, l’autre américaine avec Ghez, qui se sont livrées une féroce concurrence, partagé d’autre part entre représentants des deux sexes, une équitabilité bien dans l’air du temps, devenue incontournable dans tous les secteurs de l’activité humaine .

Cette réaction « à chaud » une fois donnée,  je vais décrire de façon plus développée les travaux respectifs de Penrose (ici), puis de Genzel et Ghez (dans un autre billet). Il me suffit pour cela de reprendre en grande partie quelques « bonnes feuilles » de mes nombreux écrits sur le sujet. Dans mon tout neuf « L’écume de l’espace-temps », qui paraît le 14 octobre 2020, je ne cesse de rendre hommage aux géniales et très diverses contributions de Roger Penrose aussi bien à la théorie de la relativité générale, qu’à la physique des trous noirs, à la cosmologie, aux mathématiques pures et même aux sciences cognitives ! Quant à mon « Destin de l’Univers : trous noirs et énergie sombre » de 2006, il consacre un chapitre détaillé aux observations de Sagittarius A* au Centre Galactique, tandis que les plus récentes observations sont résumées dans mon article de 2019 pour l’Encyclopædia Universalis.


Allons-y! Et à tout seigneur tout honneur, commençons avec Roger Penrose. Il est l’un des esprits les plus puissants que j’aie jamais rencontrés, d’autant qu’il montre encore aujourd’hui, à l’âge de 89 ans, une exceptionnelle créativité.

« Sir » Roger Penrose (il a été anobli en 1994 par la reine d’Angleterre pour services rendus à la science) a profondément contribué au renouveau de la relativité générale pendant les années 1960 et 1970, en faisant usage des concepts et méthodes de la physique mathématique développées par l’école de Cambridge. Créée par Dennis Sciama (1926-1999) au début des années 1960, cette école a compté parmi ses plus remarquables représentants Roger Penrose (né en 1931), George Ellis (né en 1939), Stephen Hawking (1942-2018) et Brandon Carter (né en 1942), qui deviendra en 1976 mon directeur de thèse. Ces méthodes permettent notamment de traiter de manière originale des sujets comme la structure globale de l’espace-temps, les propriétés des trous noirs et les singularités inhérentes à la théorie de la relativité générale, sans qu’il soit nécessaire de résoudre les équations du champ d’Einstein.

L’école de Cambridge de physique mathématique. De gauche à droite : Dennis Sciama, Roger Penrose, Stephen Hawking, Brandon Carter et George Ellis

La relativité générale prédit que les étoiles très massives s’effondrent sur elles-mêmes sans limite. Leur champ gravitationnel devient alors si grand qu’il emprisonne la matière et la lumière à l’intérieur d’un trou noir, zone de non-retour délimitée par une surface appelée « horizon des événements ». En 1965, Roger Penrose démontra qu’au-delà de l’horizon, l’effondrement gravitationnel doit inévitablement se poursuivre pour atteindre un stade « singulier » où la densité devient infinie. C’est essentiellement à ce travail que fait référence le communiqué du prix Nobel.

Mais Penrose a par la suite produit des centaines d’autres résultats au moins aussi originaux. Prenant sous son aile le jeune Stephen Hawking, ils démontrent en 1967 le second théorème sur les singularités, relatif cette fois à la cosmologie relativiste et à son incontournable « Big Bang », puis ils synthétisent leurs travaux en 1970 dans un célèbre article consacré à l’occurrence de singularités en relativité générale et aux conditions dans lesquelles elles sont incontournables (abstraction faite des phénomènes quantiques qui, comme les travaux ultérieurs le montreront, sont censés les éliminer) .Un autre résultat majeur concernant la façon dont un trou noir, à l’instar d’un système thermodynamique, peut échanger de l’énergie avec le milieu extérieur, a été obtenu en 1969 par Penrose. Étudiant ce qui se passerait lorsqu’une particule se désintègre en deux à l’approche de l’horizon des événements d’un trou noir de Kerr, dans une région appelée « ergosphère », il montra que l’on pouvait théoriquement ajuster sa trajectoire de façon à ce que l’un des deux fragments tombe dans le trou noir tandis que l’autre s’échappe, emportant une énergie supérieure à celle de la particule initiale. C’était la première indication que l’on pouvait extraire de l’énergie d’un trou noir en rotation. Au-delà de cette expérience de pensée, le processus de Penrose peut être mis naturellement en œuvre dans certains situations astrophysiques mettant en jeu un trou noir en rotation, un disque d’accrétion et des jets de matière relativistes expulsés dans le plan perpendiculaire à celui du disque.

A gauche, processus de Penrose pour un couple de particules. A droite, modèle de production de jets à partir du processus de Penrose.

Toujours en cosmologie, Penrose s’est bien évidemment attaqué au formidable problème que constitue l’unification des concepts de la physique quantique avec ceux de la physique relativiste. Il a pour cela proposé en 1967 sa théorie des « twisteurs », et en 1971 celle des réseaux de spins. La première a été intensivement appliquée à la théorie des cordes, la seconde est à la base mathématique de la gravitation quantique à boucles. Ces deux théories sont des candidates sérieuses au titre de théorie quantique de la gravitation et pourraient résoudre la question : « Qu’y avait-il avant le Big Bang ? ».

Le jeune Penrose expose au tableau sa théorie des twisteurs.

Comme moi, Penrose ne cache pas qu’il ne croit pas beaucoup à la théorie des cordes et à ses dimensions spatiales supplémentaires. Il ne se satisfait pas non plus de la théorie de l’inflation. Si cette dernière a effectivement passé victorieusement plusieurs tests grâce aux mesures du rayonnement fossile effectuées par les télescopes WMap et Planck, elle n’est aucunement démontrée, et à ce titre elle ne devrait pas faire partie du modèle standard de la cosmologie, malgré le souhait des nombreux physiciens qui l’ont promue. Penrose a toujours trouvé fallacieuses les solutions apportées par la théorie de l’inflation aux problèmes, vrais ou faux, du modèle cosmologique standard, notamment parce qu’elle ne résout pas l’énigme de l’état initial très particulier de l’univers, en lien avec le second principe de la thermodynamique.

En 2010 il a proposé une théorie, la Cosmologie Conforme Cyclique qui, selon l’expression bien connue de Niels Bohr, est suffisamment folle pour être peut-être exacte ! L’expliquer ici prendrait trop de place, je renvoie le lecteur intéressé au dernier chapitre de mon livre « L’écume de l’espace-temps ».

Roger Penrose a toujours refusé d’utiliser powerpoint pour présenter ses séminaires. Excellent dessinateur, il préfère les antiques transparents, qu’il recouvre de dessins hauts en couleurs de sa propre main. Ici, un transparent illustrant son modèle d’univers cyclique conforme.

Dans ce même chapitre j’exprime aussi toute mon admiration pour l’inventivité créatrice de Roger Penrose, avec qui j’ai pu discuter à quelques reprises. Penrose a en effet bien d’autres cordes à son arc que la physique théorique. En 1958, discutant avec son père psychologue et griffonnant de petits dessins sur une feuille de papier, le jeune Roger a trouvé un motif étrange ressemblant à première vue à un triangle, mais cependant impossible à construire dans l’espace normal tridimensionnel. Après avoir publié un article dans un journal de psychologie décrivant son « triangle de Penrose » et quelques autres figures impossibles du même type, il a été contacté en retour par l’artiste néerlandais Maurits Cornélius Escher : ce dernier dessinait depuis longtemps des figures impossibles sans savoir qu’il s’agissait de choses mathématiques nouvelles et étonnantes. À la suite de fructueux échanges mutuels, Escher s’est inspiré des travaux de Penrose dans ses deux célèbres estampes intitulées Chute d’eau, qui utilise le triangle de Penrose, et Montée et descente, qui montre un escalier impossible que l’on peut monter et descendre indéfiniment, tout en restant sur le même plan.

Penrose est également célèbre pour sa découverte en 1974 de pavages constitués de deux formes (par exemple des pentagones et des losanges), ayant la propriété de couvrir intégralement un plan de manière non périodique. Cela ne semblait qu’un joli divertissement mathématique jusqu’à la découverte, en 1984, des quasi-cristaux, étranges matériaux présentant une structure fortement ordonnée comme celle des cristaux, mais non périodique.

Dans les années 1990, lors d’un dîner chez notre ami commun Brandon Carter, j’ai eu l’occasion de discuter avec lui sur sa collaboration avec Escher, les pavages non périodiques et plus généralement les relations entre la science, l’art et la géométrie. Penrose m’avait montré des diapositives de certains pavages non périodiques qu’il avait brevetés et qui sont aujourd’hui utilisés par des entreprises de carrelage, ajoutant avec un humour tout britannique que finalement on pouvait gagner de l’argent avec des découvertes mathématiques, ce qui est plutôt rare !

Un pavage de Penrose dans les rues d’Helsinki, en Finlande

Adepte de la conception platonicienne des mathématiques en vertu de laquelle la beauté et l’élégance des lois seraient signes de vérité, Roger Penrose s’est aussi interrogé sur les connexions entre la conscience humaine et les lois de la physique. Il pense (et je partage cette opinion) que les ordinateurs fonctionnent comme des machines de Turing en termes d’algorithmes, et sont fondamentalement incapables de modéliser l’intelligence et la conscience, qui ne sont qu’en partie algorithmiques. Penrose n’exclut pas la possibilité d’une intelligence artificielle fondée sur des processus quantiques, car selon lui, ce sont des processus quantiques, et notamment la réduction du paquet d’ondes (qui est fondamentalement indéterministe), qui entrent en jeu dans le phénomène de la conscience. Il a ainsi proposé des solutions biologiques permettant à des phénomènes de superposition quantique de prendre place dans le cerveau, ce qui a fait hurler tous les chercheurs en sciences cognitives – c’est le prix à payer pour l’originalité !

L’un des ouvrages grand public de Penrose consacré aux sciences cognitives.

Bref, vous l’aurez compris, ce n’est pas un seul prix de Nobel de physique pour les trous noirs que méritait Roger Penrose, mais quatre ou cinq !

La suite de ce billet déjà trop long sera consacrée aux travaux de Genzel, Ghez et consorts sur le trou noir galactique Sagittarius A*.

9 réflexions sur “ Le prix Nobel de physique 2020 pour les trous noirs (1/2) : Roger Penrose ”

  1. Bonjour!

    Quelle célérité de la part de notre maestro des étoiles pour nous faire partager ce moment de gloire qui couronne, aujourd’hui, trois chercheurs dont Monsieur Roger Penrose?

    A la lecture de ce billet, plus d’un, j’imagine, va aller de ce pas – de côté, peut-être – quérir des informations complémentaires chez les uns et les autres. Pourquoi pas? Cela s’appelle liberté et peut-être aussi saine curiosité.

    Pour ma part, je me suis plu à lire :

    Résumé et commentaire de “Les Ombres de l’Esprit” de Roger Penrose

    L’auteur de cet article, au chapitre de l’un des ses nombreux ouvrages, intitulé “Quelle est la nature de la réalité ultime?” fait un encadré où l’on trouve un “Résumé sur la matière”, : La métaphore: la caverne (Je pense que c’est une allégorie mais laissons là, ce détail), les idées essentielles et les concepts-clés sont à la page avec des listes que j’imagine non exhaustives des grands anciens, des guides actuels et des ouvrages principaux à lire pour en savoir plus. Roger Penrose et ses livres ne sont pas en ledit contexte, mentionnés.

    Concernant les trous noirs, Ite missa est? Par une belle anagramme, chère au physicien et au pianiste, on savait que “les trous noirs” “sont irrésolus”. Monsieur Penrose, du haut de son trône scientifique, applaudi, ce jour, par le monde entier, a-t-il trouvé la solution, lui qui porte un nom dont l’anagramme est “Réponse”?

    Pour beaucoup de gens, aujourd’hui, noir c’est noir, il n’y a plus d’espoir. Ils sont au fond du trou. D’aucuns, gens instruits et bien assis, disent qu’ils vénèrent, les pauvres, dans leur sage folie ” le réel vacant le long de la paroi”. Messieurs Enthoven et Perry-Salkow ont lu dans ce groupe de huit mots, une merveilleuse anagramme : “L’allégorie de la caverne, Platon”

    Dans les couloirs de King’s College, à Cambridge, Alan Turing ne chantait-il pas, quelque temps après avoir vu la première de “Blanche-Neige et les Sept Nains” : “Plongeons la pomme dans le chaudron, pour qu’elle s’imprègne de poison…” ?

    Mais dans le conte, la belle reste vivante, endormi, certes, mais vivante.

    A quand le baiser du réveil de la science?

    Ce jour, à 14 H 11, j’ai envoyé un message à Monsieur Étienne Klein pour lui faire part d’un commentaire où l’on parle de lui sans le nommer.

    “Le randonneur Entre la pluie et le beau temps La solitude du vrai – Daniel Bougnoux – 6 octobre 2020″

    En voici un petit extrait qui ne me paraît pas ici, déplacé :

    ” – Voici quelques mots de la fin de « L’engagement rationaliste » :

    « Voici donc le problème d’une théorie de la science pour une philosophie de la science des temps modernes : il faut appréhender la science dans son progrès créateur, en retrouver la « structure, non par description, mais apodictiquement en tant qu’elle se déroule et se démontre elle-même. Autrement dit, la théorie de la science est un a priori, non antérieur à la science, mais âme de la science » (L’œuvre de Jean Cavaillès, in Gabrielle FERRIÈRES, Jean Cavaillès, philosophe et combattant (1903-1944), Paris, Presses Universitaires de France, 1950, pages 25 et 26 ). Dans la conclusion de sa thèse principale, Cavaillès avait déjà dit, d’une manière familière, que comprendre la science, c’est en « attraper le geste, et pouvoir continuer ». Il était de ceux qui pouvaient continuer, qui allaient continuer, de ceux précisément qui comprennent les intuitions de la rigueur, les intuitions de la solidité. Tous les éléments d’une grande doctrine étaient à pied d’œuvre. Après des efforts sans nombre, un grand bonheur de l’intelligence, le bonheur de la synthèse harmonieuse et solide attendait Jean Cavaillès. Il touchait à la récompense de la plus austère des vies intellectuelles. » (Fin de citation)

    « Attraper le geste! »…

    Les gens courent en ce monde. Ils sont dans le tunnel. La science là-haut peut-elle leur donner la main pour les sortir de la misère grouillante? Telle est la question.” (Fin de citation)

    Il y a cent douze ans, jour pour jour, Jules Romains commençaient à écrire “Les hommes de bonne volonté” :

    ” Une antique bénédiction va les chercher dans la foule et les recouvre. Puissent-ils être, encore une fois, un jour ou l’autre, rassemblés pour une “bonne nouvelle”, et trouver quelque sûr moyen de se reconnaître, afin que ce monde, dont ils sont le mérite et le sel, ne périsse pas.”

    Enfin, reconnaître que l’homme a un destin de connaissance, écrivait quelques décennies plus tard, Gaston Bachelard, à la fin de “L’activité rationaliste de la physique contemporaine”.

    A défaut d’une cantate religieuse, quelque chose de “noble” peut-être, pour changer la vie, ici-bas…où trois petits tours et puis s’en vont passent les “Nobel” de physique… Mais c’est un rêve et une belle anagramme nous dit que “la vitesse de la lumière” “limite les rêves au delà”.

    Bonne nuit étoilée.

    Jacques

    Donné le six et le sept octobre deux mille vingt

  2. Bonjour Jean-Pierre.
    Bravo pour ce bel exposé !
    Oui , c’est vraiment intéressant que le prix Nobel soit dédié aux trous noirs. Je pense que la compréhension des mécanismes à l’origine de ces objets (si toutefois ils en sont) sera le prochain grand défi de la physique et que nous n’avons pas fini de nous en étonner. Quand aux pavages apériodiques, j’en ai moi même découvert quelques uns, et encore de nouveaux pas plus tard que cette semaine. C’est une recherche passionnante que je vous invite à découvrir sur mon site internet : http://supersymetrie.fr
    Que tout cela est excitant !…
    Cordialement.
    Frédéric.

  3. Comme à l’habitude, excellent billet ! J’attends avec impatience le 14 octobre..!
    Un grand merci pour l’hommage rendu à Sir roger!

  4. Les doctorants et postdoctorants font le boulot et les vieux qui, passent leur temps à tricoter des combines administratives, reçoivent les honneurs ! Quelle hypocrisie !!

    1. Les “vieux”, comme vous dites, ou du moins la plupart des estimables (comme en toute discipline il y a aussi des magouilleurs), voudraient bien avoir le temps de faire autre chose que de “tricoter des combines administratives” pour obtenir les budgets permettant de faire marcher les labos et financer … les doctorants et postdoctorants! Du coup un peu de modération dans vos propos ne seraient pas de trop, même si vous semblez être frustré de la situation…

  5. Extraordinaire utilité des acteurs du Travail de Recherche Scientifique (qui m’inTéReSse !).
    Pente négative du moment : illusion d’exclure le sujet de la parole, l’être parlant-sexuel-travaillant qu’ils sont eux-mêmes.
    Ce qu’on a excommunié par la porte, revient par la fenêtre avec… La religion, sa fureur et son infantilisme qui appliqué aux adultes est forcément le Monu-ment de la Bêtise. La religion gagne même alors bêtement la science par le scientisme, comme si le réel avait quelque chose à nous dire, manière de pan-théisme.
    Le fait, c’est qu’il se fout de nous zotres. On a tous intérêt à en rendre compte. La responsabilité est la Notre.

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