Roger Penrose, né en 1931, est l'un des plus grands mathématiciens et physiciens du XXe siècle. Ses travaux les plus célèbres portent sur les trous noirs et la cosmologie, mais aussi sur la gravitation quantique. Sa théorie de torseurs (twistors en anglais) est très utilisée depuis quelque temps en théorie des supercordes, et sa théorie des réseaux de spin est à la base de la gravitation quantique à boucles. Le grand public le connaît probablement plus pour ses idées sur l'origine de la conscience et son scepticisme devant les hypothèses des tenants de l'intelligence artificielle forte. © Festival della Scienza, Flickr, cc by sa 2.0
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Prix Nobel de physique 2020 : Roger Penrose, pionnier de la théorie des trous noirs et de la conscience quantique

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Le prix Nobel de physique 2020 est particulièrement mérité. Il récompense les travaux théoriques sur les trous noirs de Sir Roger Penrose, connu aussi pour ses spéculations sur la physique de l'esprit, et les travaux observationnels menés par Andrea Ghez et Reinhard Genzel, avec leurs équipes, montrant la présence d'un étrange objet compact et non lumineux, contenant 4 millions de masses solaires, au centre de la Voie lactée. Tout indique qu'il s'agit bien d'un trou noir à ce jour.

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[EN VIDÉO] Un trou noir pourrait-il entrer en collision avec la Terre ?  Un trou noir est une région de l’espace dont rien ne peut s'échapper, pas même la lumière. Il est donc naturel de se demander si ce type d’objet pourrait être une menace pour notre planète. Futura-Sciences a interviewé Jean-Pierre Luminet, astrophysicien de renom, qui nous répond ici en vidéo. 

Enfin ! C'est sans aucun doute la réaction que bon nombre de spécialistes de la relativité générale et de l'astrophysique relativiste ont eu ce 6 octobre 2020 à l'annonce de l'attribution du prix Nobel de physique.

Une première moitié est attribuée à Roger Penrose, sujet britannique né le 8 Août 1931 à Colchester au Royaume-Uni et d'ascendance russe par l'une de ses grands-mères. Mathématicien et physicien anglais de très grand talent -- certains diront, à juste titre, génial comme on peut s'en rendre compte dans la présentation qu'en fait Jean-Pierre Luminet dans la vidéo ci-dessous ( et sur son blog où il n'hésite pas à dire à son sujet que « ce n'est pas un seul prix de Nobel de physique pour les trous noirs que méritait Roger Penrose, mais quatre ou cinq ! » ) --, il a passé son doctorat de mathématique en 1957 à l'université de Cambridge. Il est connu pour avoir révolutionné l'étude de la relativité générale dans les années 60 et 70 en introduisant de puissantes techniques de topologie différentielle et de géométrie algébrique. Les outils mathématiques qu'il a utilisé vont notamment permettre à Steven Hawking de faire ses découvertes sur la théorie des trous noirs et en cosmologie et lui-même n'a pas été en reste comme on va le voir.

Dernière vidéo sur la gravitation quantique, consacrée à la Cosmologie cyclique conforme de Penrose avec laquelle Jean-Pierre Luminet clôturait sa série de 28 enregistrements faits maison, adaptés de son livre L’écume de l’espace-temps qui paraîtra en octobre 2020 aux éditions Odile Jacob. Enregistrement du 24 mai 2020.  © Jean-Pierre Luminet

De la géométrie algébrique à la cosmologie en passant par les trous noirs

Professeur à l'université d'Oxford, le prix Nobel de physique lui est en effet attribué pour « la découverte que la formation des trous noirs est une prédiction robuste de la théorie générale de la relativité » selon les mots de l'académie suédoise. Avant un célèbre article de Penrose publié en 1965 montrant que ces objets étaient une prédiction incontournable de l'effondrement gravitationnel complet d'une étoile en relativité générale, beaucoup pensaient que ce n'était qu'un artefact des travaux en 1939 de Robert Oppenheimer, ce dernier avait alors posé le socle sur lequel les théories des étoiles à neutrons et celle de l'effondrement gravitationnel conduisant à la formation d'un trou noir seront construites à la fin des années 1950 et au début des années 1960. Il s'agit des articles écrits en collaboration avec ses étudiants de l'époque : On Massive Neutron Cores, avec Georges Volkoff, et On Continued Gravitational Contraction, avec Hartland Snyder.

Dans ces articles, le point de départ des calculs était une étoile parfaitement sphérique et sans rotation. Une situation génériquement idéalisée, jamais rencontrée dans le cosmos observable. Mais, selon Penrose, même sans ces hypothèses, une étoile réaliste suffisamment massive et ayant épuisé son carburant nucléaire devait s'effondrer pour devenir tellement compacte qu'un horizon des événements l'entourant devait se former, c'est-à-dire que l'étoile passait sous la surface d'une sphère à l'intérieur de laquelle plus rien ne pouvait sortir car il aurait fallu pour cela dépasser la vitesse de la lumière.

Le théorème découvert par Penrose montrait également que le point final de cet effondrement devait être une singularité de l'espace-temps dans le cadre de la relativité générale classique. Il en est sans doute tout autrement du fait d'effet quantique mais un horizon des événements fermé -- la véritable caractéristique rigoureuse de l'existence d'un trou noir --, doit subsister.

Ce résultat de Penrose allait stimuler grandement l'étude de la physique des trous noirs, d'autant plus qu'un trou noir supermassif peut se former quasi directement à partir d'une masse de gaz dont la densité moyenne n'est guère plus élevée que celle de l'air, de sorte qu'il n'y a aucune raison de penser qu'un effet physique inconnu stoppe l'effondrement d'un tel objet, empêchant la formation d'un horizon des événements.

On doit à Penrose non seulement le premier théorème de singularité pour l'effondrement des étoiles, un des théorèmes de singularité en cosmologie conjointement avec Hawking, mais aussi la découverte du premier processus d'extraction de l'énergie d'un trou noir en rotation et bien d'autres contributions à la physique des trous noirs (voir à ce sujet le dossier de Futura ).

Roger Penrose parle de la relativité générale, des trous noirs et de sa théorie cosmologique. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © London Mathematical Society

Vers une théorie quantique de l'espace-temps et de l'esprit

Penrose n'est pas qu'un grand maître de la physique de l'espace-temps d'Einstein ayant proposé ses dernières années une intrigante nouvelle théorie cosmologique dont Futura avait longuement parlé dans plusieurs articles, et qui est l'objet également de la vidéo de Jean-Pierre Luminet. Il s'est bien évidemment attaqué au formidable problème que constitue la fusion des équations et concepts de la physique quantique avec celles et ceux de la physique relativiste.

Il a pour cela proposé sa théorie des twisteurs (twistors en anglais) et celle des réseaux de spin. La première a été intensivement appliquée à la théorie des cordes dans le cadre de la correspondance AdS/CFT ces dernières années. La seconde, quant à elle, est à la base de la gravitation quantique à boucles (LQG). Rappelons que ces deux théories sont des candidates sérieuses au titre de théorie quantique de la gravitation, laquelle est indispensable pour pouvoir, peut-être, répondre à des questions comme : « Qu'y avait-il avant le Big Bang ? » ou « Comment l'univers et l'espace-temps sont-ils nés ? ».

Enfin, il s'est illustré avec sa théorie des pavages quasi-périodiques du plan anticipant la découverte des quasi-cristaux et par ses livres où il expose ses théories sur la modification de la mécanique quantique en liaison avec une physique spéculative de la conscience.

Futura a consacré plusieurs articles aux théories de Roger Penrose développées avec l'anesthésiologiste Stuart Hameroff et concernant une théorie quantique de la conscience ; il est nécessaire de redire à ce sujet, en reprenant leurs contenus que, malheureusement, les réflexions et interrogations légitimes de certains physiciens éminents sur ces rapports entre esprit et matière ont été d'une part très mal comprises et déformées mais aussi présentées comme des faits établis par les tenants douteux, voire franchement malhonnêtes, du New Age d'autre part.

Roger Penrose nous parle de ses idées sur l'origine de la conscience et comment il en est venu à écrire un puis deux célèbres livres à ce sujet. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Lex Fridman

Même pour un physicien sérieux et ouvert d'esprit, quelque peu versé par exemple dans la lecture des Upanishads, il va sans dire que des choses comme les soi-disant thérapies quantiques, théorie de l'attraction et autres fariboles invoquées par exemple dans le développement personnel et basées sur des rapports supposés entre la conscience et le monde physique selon la mécanique quantique, ne sont que des bouffonneries pseudo-scientifiques.

Les spéculations de Penrose et Hameroff restent stimulantes, mais on en est toujours au stade des hypothèses de travail que l'on doit encore développer et tester expérimentalement, ce que ne semblent pas nier les deux hommes. Pour le moment, ces scientifiques ressemblent à des funambules qui cherchent à ne pas tomber dans la mystique quantique pseudoscientifique New Age ou dans un positivisme frileux refusant d'explorer de nouvelles voies périlleuses dans un territoire inconnu, celui de la physique de l'esprit.

On l'aura compris, l'influence de Penrose aura été déterminante pour le renouveau des études concernant la théorie de la relativité générale au cours des années 1960 et la prise au sérieux de l'existence des trous noirs qui va motiver, notamment un autre prix Nobel de physique, Kip Thorne, à développer l'astronomie gravitationnelle, avec les détecteurs Ligo et Virgo, et plus récemment les membres de la collaboration EHT à obtenir la première image d'un trou noir, M87*.

En 2009, Andrea Ghez parlait de son travail sur les trous noirs dans une conférence TED. Avec les nouvelles données issues des télescopes Keck, le prix Nobel de physique 2020 nous montre comment les optiques adaptatives à la pointe de la technologie aident les astronomes à comprendre les objets les plus mystérieux de notre univers : les trous noirs. Elle apporte aussi la preuve qu'un gigantesque trou noir pourrait se tapir dans le centre de la Voie lactée. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © TED

La théorie des trous noirs à l'épreuve des observations de Sgr A*

Venons en maintenant aux lauréats de la deuxième moitié du Prix Nobel de Physique 2020. Il y a d'abord Andrea Ghez, née en 1965 à New York. Elle a décroché son doctorat en 1992 au mythique California Institute of Technology, à Pasadena, en Californie. Elle est actuellement professeur à l'université de Californie, Los Angeles. Il y a ensuite Reinhard Genzel, né en 1952 à Bad Homburg vor der Höhe, en Allemagne. Il a passé son doctorat en 1978 à l'université de Bonn. Il est actuellement directeur à l'Institut Max Planck de physique extraterrestre et professeur à l'université de Californie, Berkeley, États-Unis.

L'académie suédoise leur a décerné le prix Nobel « pour la découverte d'un objet compact supermassif au centre de notre galaxie ». Comme l'expliquent les deux nouveaux Nobel dans les vidéos de cet article, leurs travaux ont porté en grande partie sur l'étude des mouvements des étoiles autour d'une région au centre de la Voie lactée laquelle se comporte à bien des égards comme un trou noir. L'étude de ces mouvements en particulier permet de tester des théories de la gravitation relativiste alternatives à la théorie d'Einstein. Futura a consacré plusieurs articles à ces travaux.

Il est à noter qu'Andrea Ghez est seulement la quatrième femme à recevoir un prix Nobel de physique et qu'il était grand temps que le rétablissement d'un équilibre soit entreprit.

Cette simulation figure les orbites d’un petit groupe d’étoiles situées à proximité du trou noir supermassif au centre de la Voie lactée. Au cours de l’année 2018, l’une de ces étoiles, baptisée S2, passa tout près du trou noir et fut l’objet d’une intense campagne d’observations au moyen des télescopes de l’ESO. Son comportement fut conforme aux prédictions de la théorie de la relativité générale d’Einstein – incompatible en revanche avec la théorie de la gravitation de Newton. © ESO/L. Calçada/spaceengine.org

On pourra être surpris que le prix Nobel ne soit pas attribué pour la découverte d'un trou noir supermassif mais si l'on veut être absolument rigoureux -- même s'il est de plus en plus déraisonnable de douter de l'existence des trous noirs, c'est-à-dire des objets non seulement compacts mais avec un horizon des événements --, cela reste encore logiquement possible et toute bonne démarche scientifique doit rester encore ouverte à cette possibilité. De toute manière, que l'objet central derrière la radiosource Sgr A* soit un trou noir ou quelque chose de plus exotique, dans les deux cas le Nobel est mérité car nous sommes certains que cet objet est extrême.

Terminons sur une dernière note. On peut penser que si Steven Hawking était encore parmi nous, il aurait eu le Nobel à égalité avec Roger Penrose.

Dans cette interview vidéo, l'autre lauréat du prix Nobel de physique 2020, Reinhard Genzel, directeur de l’Institut Max Planck dédié à la Physique extraterrestre, aborde l’étude qu’a réalisée son équipe sur les étoiles situées en périphérie du trou noir supermassif occupant le centre de la Voie lactée, et notamment la découverte récente de la précession de l’orbite de l’étoile S2. L’étude a été permise grâce à un ensemble d’instruments installés sur le Very Large Telescope de l’ESO. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © MPE / Twentytwo Film GmbH, ESO/L. Calçada

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