Sonde de von Neumann

En cinq minutes : qu'est-ce qu'une sonde de von Neumann ?

Une sonde de von Neumann est un vaisseau spatial hypothétique qui se rend dans un autre système stellaire, fabrique des copies de lui-même avec les roches et la glace qu'il y trouve, puis envoie ces copies vers d'autres étoiles. Chaque génération répète l'opération. Personne n'en a construit. Mais l'idée est assez simple pour être prise au sérieux : une seule sonde réussie pourrait, en principe, finir par visiter toutes les étoiles de la galaxie.

Le nom rend hommage au mathématicien John von Neumann, qui a montré comment, en théorie, une machine pouvait fabriquer une copie d'elle-même. La version spatiale est venue des décennies plus tard. Elle s'inscrit dans la longue tradition que nous suivons dans l'histoire de la science-fiction, où une expérience de pensée scientifique devient un moteur de récit.

Trois choses à retenir :

• Elle se copie elle-même. La sonde est à la fois le voyageur et l'usine.
• Elle croît de façon exponentielle. Une sonde en devient deux, puis quatre, puis huit : leur nombre augmente bien plus vite que la distance parcourue.
• C'est une expérience de pensée. Elle sert surtout à se demander pourquoi nous ne voyons aucun signe de civilisations extraterrestres.

D'où vient l'idée

L'histoire commence par l'informatique, pas par les fusées. À la fin des années 1940, John von Neumann (1903-1957), mathématicien d'origine hongroise, se demande si une machine peut construire une copie d'elle-même, y compris ses propres instructions de fabrication. Il donne des conférences sur le sujet en 1948 et en 1949. Avec le mathématicien Stanislaw Ulam, il décrit aussi une configuration auto-reproductrice sur une grille de cellules, l'un des premiers automates cellulaires. Ses notes ont été mises en forme par Arthur Burks et publiées en 1966 sous le titre Theory of Self-Reproducing Automata, neuf ans après sa mort.

Son idée centrale est qu'une telle machine a besoin de trois éléments : un plan, un constructeur qui suit ce plan, et un copieur qui duplique le plan afin que l'enfant puisse à son tour construire le sien. Les biologistes ont ensuite retrouvé la même logique dans les cellules vivantes, où l'ADN est à la fois lu et copié.

Le passage à l'espace est venu plus tard. En 1960, le radioastronome Ronald Bracewell suggère qu'une civilisation pourrait envoyer une sonde automatique dans notre système pour établir le contact, une idée appelée aujourd'hui sonde de Bracewell. Cette sonde ne se copiait pas. En 1980, l'ingénieur Robert Freitas publie dans le Journal of the British Interplanetary Society une étude de conception d'une sonde interstellaire auto-reproductrice, s'appuyant sur le projet Dédale (Daedalus), l'étude menée par cette société dans les années 1970 sur un vaisseau stellaire inhabité à propulsion par fusion. La même année, le physicien Frank Tipler soutient que si des extraterrestres intelligents existaient, leurs sondes auto-réplicantes seraient déjà dans notre système solaire. Comme nous n'en voyons aucune, il en conclut que nous sommes probablement seuls. La sonde est ainsi devenue un personnage central du paradoxe de Fermi.

Comment une sonde fonctionnerait

La plupart des modèles suivent la même boucle.

1. Croisière. La sonde quitte son point de départ et file vers l'étoile suivante à quelques pour cent de la vitesse de la lumière, peut-être jusqu'à un dixième. Les études envisagent des moteurs à fusion ou des voiles.
2. S'installer sur un petit corps. Un astéroïde ou une petite lune est plus facile à exploiter qu'une planète, car la gravité y est faible et le métal et la glace y sont accessibles.
3. Extraire et construire. Des robots creusent la matière première, la raffinent et bâtissent une petite usine. L'usine fabrique des copies de la sonde.
4. Lancer. Certaines copies partent vers des étoiles voisines. Le cycle recommence.

La galaxie mesure environ 100 000 années-lumière de diamètre. Comme chaque sonde a besoin de temps pour construire ses « enfants », les estimations publiées pour couvrir toute la galaxie se chiffrent généralement en millions d'années ou davantage, selon la vitesse et les hypothèses retenues. Cela paraît long, mais la Voie lactée a plus de 13 milliards d'années. C'est cet écart entre le temps nécessaire et le temps disponible qui rend l'idée si troublante.

La science réelle : ce qui est établi, ce qui relève de la spéculation

Établi. L'auto-réplication existe dans la nature, donc la physique ne l'interdit pas. La logique de von Neumann (plan, constructeur, copieur) est mathématiquement solide, et il existe des simulations informatiques de motifs auto-reproducteurs. En 1980, une étude d'été parrainée par la NASA, Advanced Automation for Space Missions, a examiné une usine réplicante sur la Lune et l'a jugée intéressante à long terme. Des projets d'amateurs comme RepRap, lancé en 2005, sont des imprimantes 3D qui impriment une grande partie de leurs propres pièces en plastique, même si des humains doivent encore fournir les moteurs et l'électronique.

Difficile. La distance interstellaire est le plus grand obstacle. La sonde Voyager 1 est l'objet fabriqué par l'humanité le plus éloigné, et pourtant, à sa vitesse, il lui faudrait des dizaines de milliers d'années pour atteindre les abords de l'étoile la plus proche, Proxima du Centaure, à 4,2 années-lumière. Le projet Breakthrough Starshot, annoncé en 2016, propose des sondes de la taille d'un gramme propulsées par laser jusqu'à environ un cinquième de la vitesse de la lumière. Elles atteindraient le système Alpha du Centaure en une vingtaine d'années, mais elles ne se copieraient pas.

Spéculation. Savoir si une machine peut trouver, extraire et raffiner seule tous les matériaux dont elle a besoin, si les erreurs de copie s'accumuleraient sur des millions d'années, et si quelqu'un choisirait de lancer un tel engin : ces questions restent ouvertes. Aucune sonde de von Neumann, la nôtre ou celle d'extraterrestres, n'a jamais été observée.

Dans la fiction

Les machines qui se copient sont un thème favori de la science-fiction, sous des formes rassurantes comme effrayantes.

• Les récits Berserker de Fred Saberhagen, commencés dans les années 1960, imaginent d'antiques machines de guerre auto-réplicantes qui traquent toute forme de vie.
• Le roman L'Invincible de Stanislaw Lem (1964) envoie un équipage sur une planète où de minuscules machines, descendantes d'un ancien système auto-réplicant, ont évolué en un essaim.
• Dans 2010 : Odyssée deux d'Arthur C. Clarke (1982), les monolithes noirs se multiplient, ce que beaucoup de lecteurs rapprochent de l'idée de sonde réplicante.
• Revelation Space d'Alastair Reynolds (2000) met en scène les Inhibiteurs, des machines qui attendent les jeunes civilisations pour les écraser.
• Nous sommes Légion (Nous sommes Bob) de Dennis E. Taylor (2016) donne à l'idée un visage amical : un esprit humain copié dans des sondes qui se répandent parmi les étoiles.

Idées reçues

• « Von Neumann a conçu un vaisseau spatial. » Non. Il a travaillé sur la logique des machines auto-reproductrices, et d'autres l'ont appliquée à l'espace.
• « C'est la même chose que la gelée grise. » La gelée grise (« grey goo »), terme tiré du livre d'Eric Drexler de 1986, Engines of Creation, désigne des machines moléculaires en emballement qui dévoreraient la matière d'une planète. Une sonde de von Neumann est un vaisseau qui se copie lentement à travers l'espace. Les deux partagent la crainte d'une copie incontrôlée. Voir la gelée grise pour la différence.
• « Si les sondes étaient possibles, elles seraient déjà là. » C'est un argument, pas une preuve. Les civilisations peuvent ne jamais choisir d'en construire, les sondes peuvent être cachées, ou nous pouvons être arrivés trop tôt.
• « La galaxie serait envahie en une nuit. » La croissance exponentielle a besoin de temps pour voyager et construire. Même les modèles rapides demandent des millions d'années.
• « Elle est forcément dangereuse. » Le danger vient de la façon dont une sonde est programmée, pas de l'idée elle-même. Une sonde conçue pour explorer et s'arrêter après un nombre fixé de copies est tout aussi logique.

À lire ensuite

• Paradoxe de Fermi : pourquoi la galaxie paraît vide, et quelle place y tiennent les sondes.
• Gelée grise : le cousin nanotechnologique de la machine qui se copie.
• Histoire de la science-fiction : comment des expériences de pensée comme celle-ci sont devenues des récits.