Quand j’ai fait pivoter un trou noir de 90 degrés

En regardant une vidéo sur les trous noirs, j’ai remarqué une image étrange. Une bande lumineuse traversait un disque noir, et au-dessus s’élevait une autre courbe. On aurait dit deux anneaux disposés à angle droit l’un par rapport à l’autre. Un disque d’accrétion peut se former autour d’un trou noir. C’est un disque constitué de matière qui tourne en tombant vers le trou noir. Or la puissante gravité du trou noir courbe également la trajectoire de la lumière provenant de l’arrière. Ainsi, la partie arrière du disque peut sembler s’élever au-dessus ou au-dessous du trou noir.

Ce qui m’avait d’abord intrigué, c’étaient ces deux courbes. Laquelle correspondait au disque réel et laquelle était une image produite par la déviation de la lumière ? Pourquoi l’une était-elle disposée horizontalement tandis que l’autre s’élevait verticalement ? Que verrait-on si l’on changeait de position d’observation ? Pour comprendre cette image, j’ai créé des représentations d’un trou noir vu depuis quatre directions différentes. J’ai défini la vue de face comme étant à 0 degré, puis disposé côte à côte les vues à 90 degrés vers la droite, à 90 degrés vers la gauche et à 180 degrés depuis l’arrière.

〈Images conceptuelles créées pour comparer le disque d’accrétion autour d’un trou noir et les effets de lentille gravitationnelle depuis différentes directions d’observation.〉

En comparant les quatre images, je voulais d’abord vérifier un fait simple. Il n’existait qu’un seul disque réel, mais la déviation de la lumière pouvait donner l’impression que plusieurs structures se superposaient. Pourtant, plus j’examinais les images, plus d’autres questions me venaient à l’esprit. Pourquoi considérons-nous un anneau disposé horizontalement comme normal, alors qu’un anneau s’élevant verticalement nous paraît étrange ? Un disque doit-il nécessairement tourner à l’horizontale ? Dans ce cas, selon quel critère détermine-t-on l’horizontale et la verticale dans l’univers ? C’est à partir de là que ma réflexion a pris une autre direction.

La Terre possède un pôle Nord et un pôle Sud. Le Soleil possède lui aussi un axe de rotation. Nous définissons le plan équatorial à partir de cet axe et distinguons le nord du sud. L’axe de rotation d’un corps céleste est une direction physique que l’on peut effectivement mesurer. Mais que se passerait-il si l’axe de rotation d’un corps céleste était incliné de 90 degrés par rapport à celui d’un autre ? J’ai pensé à une boule de billard. Lorsqu’une autre boule frappe une boule de billard en rotation, son axe peut changer ou son sens de rotation peut s’inverser. Il en va de même pour une planète. Supposons qu’une planète tournant dans le sens inverse des aiguilles d’une montre subisse un choc considérable et commence à tourner dans le sens des aiguilles d’une montre. Si son axe de rotation s’est retourné de 180 degrés, la droite sur laquelle se situe cet axe reste la même, mais le sens de rotation devient exactement opposé. Vue de l’extérieur, c’est toujours la même sphère qui tourne autour du même axe. Seul le sens de rotation a changé. Alors, sur quel critère nous fondons-nous pour appeler les deux extrémités de cet axe le pôle Nord et le pôle Sud ? Quel côté est en haut et quel côté est en bas ?

L’axe de rotation représente l’état physique d’un corps céleste, mais lorsque nous appelons l’une de ses extrémités le haut, nous faisons intervenir le point de référence de l’observateur. Même l’expression selon laquelle un corps céleste s’est retourné n’a de sens que si l’on définit d’abord par rapport à quoi il s’est retourné. Cette question me paraît étrange depuis longtemps. On dit qu’il n’existe ni haut ni bas absolus dans l’univers. Pour des êtres humains vivant sur Terre, qui considèrent le haut et le bas comme des évidences, cette idée est difficile à comprendre intuitivement. J’ai donc imaginé une sphère.

Il existe une grande sphère creuse, à l’intérieur de laquelle vit une forme de vie. Dans cette sphère, aucune référence gravitationnelle extérieure ne permet de déterminer le haut et le bas. Cet être vivant se déplace et tourne librement. Si un observateur se trouvait à l’extérieur de la sphère, il pourrait voir dans quelle direction l’être est orienté. Mais l’être vivant à l’intérieur n’aurait aucun moyen de comparer sa position à un haut ou à un bas absolus. Même s’il semblait suspendu la tête en bas aux yeux d’un observateur extérieur, la notion même d’être à l’envers pourrait n’avoir aucun sens pour lui.

La question qui m’intéresse ici n’est pas la position de cet être vivant. C’est de savoir si un être vivant à l’intérieur de la sphère peut connaître la structure globale de la sphère à laquelle il appartient. Il pourrait observer son environnement, mesurer les distances et calculer les trajectoires de la lumière. Avec suffisamment de temps et de moyens techniques, il pourrait découvrir une grande partie des propriétés géométriques de l’espace dans lequel il vit. Pourtant, l’expérience consistant à regarder de l’extérieur l’espace auquel il appartient pourrait lui rester impossible. Cette situation ressemble à la nôtre lorsque nous observons l’univers.

Nous sommes à l’intérieur de l’univers. Nous observons la lumière qui nous parvient de l’espace, calculons les distances et les mouvements des corps célestes, et reconstituons l’histoire de l’univers. Pourtant, nous n’avons jamais contemplé l’univers entier depuis l’extérieur. J’ai eu une pensée semblable lorsque j’ai vu pour la première fois une carte du fond diffus cosmologique. Cette carte n’est pas une photographie de l’univers prise depuis l’extérieur. Elle représente le rayonnement du fond diffus cosmologique qui parvient à un observateur depuis toutes les directions, puis le déploie sur une surface plane. Nous définissons un haut et un bas sur cette carte ovale, et distinguons son centre de ses bords.

Mais la direction indiquée comme étant le haut sur cette carte ne signifie pas qu’il s’agit du haut de l’univers lui-même. Ce que nous voyons n’est pas l’apparence extérieure de l’univers, mais l’enregistrement de la lumière parvenue à un observateur qui se trouve à l’intérieur. En y réfléchissant, je suis revenu à une interrogation que je portais depuis longtemps. L’absence de haut et de bas dans l’univers est-elle une propriété de l’univers lui-même, ou une question liée à notre manière de le percevoir ? Bien sûr, cette interrogation mêle deux problèmes distincts. L’absence de haut et de bas absolus relève des coordonnées et des directions. La question de savoir dans quelle mesure nous pouvons connaître la structure globale de l’univers relève de l’observation et de la géométrie. Ces deux problèmes n’ont pas nécessairement la même réponse.

C’était le deuxième problème qui m’intéressait. Nous vivons dans un espace à trois dimensions. Nous nous déplaçons d’avant en arrière, de gauche à droite, de haut en bas, et nous utilisons ces trois directions pour indiquer la position des objets. Mais que se passerait-il s’il existait une dimension spatiale supplémentaire ? Nous pouvons imaginer un être vivant capable d’exister uniquement sur une surface sphérique à deux dimensions. Cet être pourrait se déplacer le long de son monde, mais il ne pourrait pas contempler toute la surface sphérique de l’extérieur, comme nous pouvons regarder une sphère. Nous pouvons, depuis un espace possédant une dimension supplémentaire, considérer cette surface sphérique comme un seul objet.

Que se passerait-il si nous appliquions cette idée à notre univers ? Si l’espace à trois dimensions que nous connaissons était lié à un espace de dimension supérieure, il nous faudrait peut-être comprendre la structure de l’univers depuis une direction à laquelle nous n’avions jamais pensé. Bien entendu, l’existence réelle de telles dimensions spatiales supplémentaires n’a pas été confirmée. Même si une dimension supplémentaire était découverte, cela ne signifierait pas automatiquement qu’il existe un extérieur à l’univers ou un haut et un bas absolus. Je ne cherche pas ici à proposer une nouvelle théorie cosmologique. La question qui me préoccupe depuis longtemps est un peu plus simple. Si nous ne connaissons pas la structure globale de l’univers, est-il possible que la raison ne soit pas simplement l’insuffisance de nos instruments d’observation, mais les limites de l’espace auquel nous appartenons et du domaine accessible à l’observation ?

Cette question est liée à deux éléments du Dictionnaire de l’extinction galactique, le roman que j’écris. L’un est le système fermé, l’autre est l’espace de stockage. Dans le roman, la civilisation galactique découvre un déficit photonique. C’est un phénomène dans lequel la lumière semble disparaître. Un déficit inexplicable apparaît malgré les observations et les calculs répétés, et le problème s’étend aux processus de transfert de l’énergie et de la matière. La civilisation ne renonce pas facilement à la loi de conservation de l’énergie. Si l’énergie qui semble avoir disparu ne s’est pas réellement anéantie, où se trouve-t-elle ?

En suivant cette question, on rencontre rapidement le problème du système fermé. Un système fermé est un système physique qui n’échange pas de matière avec l’extérieur, mais qui peut échanger de l’énergie. Un système qui n’échange ni matière ni énergie est un système isolé. Mais pour déterminer qu’un système est fermé, il faut d’abord connaître ses frontières. Si nous ignorons ce qui se trouve au-delà de ces frontières, pouvons-nous exclure la possibilité que la région que nous considérons comme un système parfaitement fermé fasse en réalité partie d’un système physique plus vaste ? Ici apparaît aussi une question de langage. Si nous définissons l’univers comme l’ensemble de tout ce qui existe, alors, par définition, il n’existe rien à l’extérieur de l’univers. Car, quoi que nous découvrions, il suffirait de l’inclure dans l’univers.

Mais cette définition ne prouve pas que la région que nous pouvons actuellement observer constitue la totalité de ce qui existe. L’univers entier et l’univers observable ne sont pas la même chose. L’entrée « Système fermé » du Dictionnaire de l’extinction galactique traite précisément de cette question. Le roman ne déclare pas que l’univers possède un extérieur. Il ne prouve pas non plus qu’il n’en possède pas. Il montre comment une civilisation galactique commence à s’interroger sur les frontières du système physique qu’elle croyait comprendre. Je ne voulais pas donner de réponse définitive à ce problème. Peut-être parce que le fait même de ne pas connaître la réponse constitue le point de départ de l’œuvre.

L’espace de stockage est une hypothèse romanesque qui pousse cette réflexion un peu plus loin. Dans le Dictionnaire de l’extinction galactique, le dernier scientifique crée un nouveau domaine causal relié à l’espace-temps existant. La zone de connexion observable depuis l’extérieur est petite, mais l’espace intérieur ne peut pas être expliqué par la seule taille de son entrée. Cet espace n’est pas un immense entrepôt situé quelque part dans l’univers. Ce n’est pas non plus une pièce dissimulée sous la surface d’une planète ou derrière un trou noir. C’est un domaine qui reste relié à l’espace-temps existant, mais qu’il est difficile de comprendre immédiatement à l’aide de nos notions habituelles de taille et de distance.

Dans le roman, l’énergie autrefois enregistrée comme manquante est liée à cet espace de stockage. La civilisation galactique avait conclu que de l’énergie avait disparu de la région qu’elle pouvait observer, mais une autre interprétation devient possible si l’on considère un système physique plus vaste. Il ne s’agit pas d’un dispositif physique scientifiquement vérifié, mais d’une structure spatio-temporelle conçue pour le roman. Pour expliquer jusqu’aux processus de déplacement et d’accumulation de l’énergie, il faudrait supposer des conditions physiques supplémentaires au sein de l’œuvre. Pourtant, chaque fois que je pense à cet espace de stockage, une vieille interrogation me revient. Que savons-nous réellement de ce qu’est l’espace ?

Parce qu’une entrée devant nos yeux est petite, l’espace auquel elle donne accès doit-il nécessairement être petit lui aussi ? Les distances et les volumes que nous mesurons doivent-ils obéir aux mêmes règles dans d’autres domaines auxquels nous ne pouvons pas accéder ? Et surtout, pouvons-nous considérer un domaine que nous ne pouvons pas observer comme identique à un domaine qui n’existe pas ? La physique n’est pas une discipline qui déclare arbitrairement l’existence de choses inobservables. Reconnaître les limites de l’observation et affirmer que quelque chose existe au-delà de ces limites sont deux démarches entièrement différentes. Je connais moi aussi cette distinction.

C’est pourquoi je n’ai pas résolu cette question dans le roman. J’ai laissé ouverte l’explication définitive de l’étendue réelle du système fermé, des relations entre l’espace de stockage et l’univers existant, et du nom qu’il faudrait donner à l’ensemble. La civilisation du roman elle-même ne parvient finalement pas à combler entièrement l’écart entre les phénomènes qu’elle a découverts et le monde qu’elle croit comprendre. Aujourd’hui, en regardant les images d’un trou noir depuis quatre directions différentes, j’ai repris une ancienne réflexion. Au départ, je voulais simplement savoir laquelle des deux courbes représentait le disque d’accrétion réel. Cette interrogation m’a conduit aux critères du haut et du bas, à la position de l’observateur, puis à la structure globale de l’univers. Et elle m’a ramené aux systèmes fermés et à l’espace de stockage.

Les images du trou noir ne m’ont pas fait découvrir un problème auquel je n’avais jamais pensé auparavant. Elles m’ont offert un point de départ concret pour reprendre une réflexion ancienne. Changer la direction d’observation dans ces quatre images ne modifie pas la structure réelle du trou noir. Ce qui change, c’est son apparence pour l’observateur. Alors, qu’en est-il du monde que nous appelons l’univers ? Même si nous changeons la direction de notre regard, perfectionnons nos instruments d’observation et affinons nos calculs, il pourrait toujours exister des domaines auxquels nous n’avons pas accès. Nous ignorons si ces domaines existent réellement et si nous pourrons un jour le savoir.

Ce à quoi je réfléchis depuis longtemps n’est pas une affirmation selon laquelle il existerait un haut et un bas dans l’univers. C’est la question de savoir si le fait même que nous soyons à l’intérieur de l’univers pourrait déterminer ce que nous pouvons et ne pouvons pas connaître de l’univers dans son ensemble. L’expérience de pensée qui avait commencé lorsque j’ai fait pivoter un trou noir de 90 degrés m’a finalement ramené à cette vieille question.