Physicien israélien de génie et juif pratiquant, il tint bon face aux adversaires de sa conception, au premier rang desquels l'astrophysicien, le professeur Stephen Hawking, et prouva que son idée sur les trous noirs était juste et fondée.

L'entropie, le temps et l'univers en expansion

Dans une série de travaux novateurs, Jacob David Bekenstein proposa un lien direct, profond et inattendu entre la géométrie de l'horizon des événements d'un trou noir et le concept d'entropie thermodynamique ainsi que la théorie de l'information. Si, à ce stade, vous demandez une explication en français ou cherchez une porte de sortie, vous faites partie des 99,9 % de la population mondiale. Mon défi consiste à faire en sorte qu'à la fin de la lecture de cet article, ces lignes obscures deviennent claires au point de susciter un « Ahhh... »

Commençons par le concept qui nous accompagnera tout au long de notre parcours: l'« entropie », ou, en termes simples, le « désordre naturel ». Dans la nature, il existe une loi tacite: les choses tendent toujours vers le désordre maximal. Pensez à votre chambre: si vous ne la rangez pas activement, elle deviendra un véritable capharnaüm. En physique, on appelle ce désordre l'entropie. Quand la chambre est complètement en désordre et qu'il est impossible de la mettre davantage en désordre, elle a atteint son « désordre maximal ». Les scientifiques appellent cet état « équilibre thermodynamique ».

Selon la théorie du « Big Bang », l'Univers a commencé dans un état dense et chaud, où toute la matière s'est immédiatement mélangée et a atteint son désordre maximal dès la première seconde de l'explosion. C'est là qu'est né le problème, le paradoxe: si l'Univers était déjà au comble du désordre à ses débuts, comment a-t-il pu continuer à évoluer? Après tout, selon les lois de la nature, le temps ne progresse que lorsque le désordre augmente. Si le maximum avait été atteint dès le départ, le temps aurait dû « s'arrêter » et aucun ordre n'aurait dû apparaître: ni étoiles, ni galaxies, ni nous-mêmes.

La réponse au paradoxe proposée par Jacob Bekenstein était que l'Univers est en expansion. La chambre en désordre devenue une immense salle n'est plus dans un état de « désordre maximal », car un espace s'est créé qui permet à la matière de se réorganiser et de former des étoiles et des systèmes entiers. Ainsi, plus l'Univers continuera de grandir, plus le potentiel de désordre augmentera. C'est ce qui lui permet de poursuivre son évolution et crée la « flèche du temps ». Nous avons la nette impression qu'il existe un passé, où l'Univers était plus petit et plus concentré, et un avenir, où il continue de s'étendre. Il nous semble naturel que le temps aille du passé vers l'avenir: nous nous souvenons du passé et nous nous inquiétons de l'avenir. Ce n'est pas ainsi que voient les choses les membres de cette étrange confrérie qu'on appelle les physiciens. Pour eux, on peut inverser le sens du temps, et il n'y a pas de différence entre le passé et l'avenir. On peut dire que la solution proposée par Jacob Bekenstein permet même aux physiciens de s'inquiéter du facteur temps.

L'horizon des événements et les trous noirs

Jacob s'est également intéressé à un autre domaine où la flèche du temps était clairement définie: celui des trous noirs. Un trou noir est une région de l'espace où la force gravitationnelle est si puissante que rien ne peut s'en échapper, pas même la lumière. Imaginez un bateau qui descend un fleuve en direction d'une immense chute d'eau. Plus il s'en approche, plus le courant devient fort. Il existe un point au-delà duquel, même si le moteur du bateau tourne à plein régime, le courant est trop puissant et le bateau est entraîné vers le fond. Un trou noir possède un point de non-retour semblable. En effet, même la lumière - ce qu'il y a de plus rapide dans l'Univers - n'est pas assez rapide pour s'en échapper.

Ce point de non-retour est appelé « horizon des événements » (Event Horizon): L'horizon, c'est cette ligne invisible en mer au-delà de laquelle nous ne pouvons rien voir parce que la Terre est ronde. Les événements, eux, désignent tout ce qui se passe: une lampe qui s'allume, un vaisseau spatial qui se déplace ou simplement une chute de matière. L'horizon des événements est la frontière où l'Univers qui nous est accessible prend tout simplement fin. Pour nous, cet endroit semble plongé dans l'obscurité totale: c'est un trou noir. Ces trous se forment lorsqu'une étoile géante, beaucoup plus grande que notre Soleil, arrive en fin de vie et s'effondre sur elle-même. Toute l'énorme masse de matière de l'étoile est comprimée et écrasée en un minuscule point, ce qui crée cette force gravitationnelle incroyable. En somme, c'est l'aspirateur le plus puissant de l'Univers, plongé dans une obscurité totale parce qu'il ne laisse même pas la lumière sortir pour nous raconter ce qui se trouve à l'intérieur. Au début des années 1970, la communauté scientifique considérait ces trous noirs comme des objets simples et complètement froids, allant jusqu'à les appeler des « étoiles gelées » (Frozen Stars). Selon l'hypothèse admise, l'entropie (le désordre) n'avait pas de pertinence pour ces objets gravitationnels, puisqu'il suffisait de trois paramètres géométriques observables pour les caractériser entièrement.

Au départ, Bekenstein se heurta à l'opposition catégorique des grandes figures de sa génération, et notamment de la rock star des physiciens, Stephen Hawking. Pourtant, il prouva que ces trous noirs définissent une flèche du temps, puisque leur avenir correspond au sens dans lequel ils grandissent.

Le parcours académique de Bekenstein

Jacob David Bekenstein naquit en mai 1947 à Mexico. Ses parents, Joseph et Esther (née Vladislavotski), étaient des réfugiés juifs polonais qui, à la veille de la Seconde Guerre mondiale, avaient fui l'Europe en flammes et trouvé refuge en Amérique latine. Au début des années 1960, la famille déménagea aux États-Unis. Elle s'installa d'abord au Texas, puis à New York, où Bekenstein reçut une formation rigoureuse en sciences exactes. Il commença ses études de premier cycle à l'Institut polytechnique de Brooklyn et obtint en 1969 un Master of Science (M.Sc.) en physique. Il fit son doctorat à l'université de Princeton, sous la direction du célèbre physicien John Archibald Wheeler, connu pour son approche intellectuelle non conventionnelle et pour avoir forgé des termes scientifiques devenus des références incontournables, dont « trou noir ». Wheeler reconnut aussitôt le talent du jeune étudiant et l'orienta vers l'étude des fondements théoriques de la physique gravitationnelle extrême. En 1972, Bekenstein acheva son doctorat, consacré à l'entropie des trous noirs, et présenta au monde ses trois travaux les plus influents, élaborés au cours de cette période.

Après l'obtention de son doctorat, Bekenstein rejoignit l'université du Texas à Austin, où il fut chercheur postdoctoral au Centre de relativité de 1972 à 1974. Au cours de ces années, il approfondit ses recherches en physique gravitationnelle et étudia les interactions entre les champs quantiques et l'espace-temps courbe. En 1974, animé par un sentiment d'appartenance nationale et de profondes convictions sionistes, Bekenstein décida de réaliser son rêve et de s'installer en Israël. Il rejoignit directement le corps professoral du département de physique de l'université Ben Gourion du Néguev, à Beer-Sheva. Son installation et ses activités dans le Néguev contribuèrent grandement au développement de la recherche en relativité générale et en astrophysique en Israël, à une époque où ces domaines en étaient encore à leurs débuts dans le pays. En 1978, à seulement 31 ans, il fut nommé professeur titulaire et, en 1983, chef du département d'astrophysique de l'université. Il occupa la prestigieuse chaire d'astrophysique Robert et Jean Arnow jusqu'en 1990.

En 1990, Bekenstein rejoignit l'Université hébraïque de Jérusalem comme professeur titulaire à l'Institut de physique Racah, où il acquit le statut de figure universitaire éminente. En 1993, il fut nommé chef du département de physique théorique de l'université et occupa ensuite la chaire de physique théorique Michael Polak. Pendant ses années à Jérusalem, Bekenstein consacra d'immenses efforts à l'enseignement et devint une figure admirée pour sa capacité à simplifier les sujets les plus complexes et à les rendre accessibles à ses étudiants. En 2010-2009, il fut chercheur invité à l'Institute for Advanced Study (IAS) de Princeton, où il retrouva les plus grands physiciens théoriciens du monde pour collaborer avec eux.

Le professeur Bekenstein, tout comme le professeur Yeshayahu Leibowitz, savait concilier science et religion et ne voyait aucune contradiction entre sa vision scientifique du monde et sa foi en Dieu. On l'a souvent cité disant: « Je considère le monde comme le produit de l'œuvre du Saint béni soit-Il. Il a établi des lois très précises et nous prenons beaucoup de plaisir à les découvrir par le travail scientifique, à voir comment tout s'articule. » Jacob épousa Bilha et ils eurent trois enfants: Yehondav, Ouria et Rivka, qui suivirent tous les traces de leur père et choisirent une carrière scientifique. Son fils, Yehondav Bekenstein, rejoignit plus tard le corps professoral de la faculté des sciences et du génie des matériaux du Technion, à Haïfa.

À l'été 2015, lors d'un séjour universitaire à Helsinki, le professeur Bekenstein mourut subitement d'une crise cardiaque. Sa mort laissa un immense vide au sein des communautés scientifiques israélienne et internationale.