Dans une série des articles révolutionnaires, les physiciens théoriciens sont venus de manière tentante de résoudre le paradoxe de l’information du trou noir qui les a fascinés et tourmentés pendant près de 50 ans. L’information, disent-ils maintenant avec confiance, échappe à un trou noir. Si vous sautez dans l’un d’entre eux, vous ne serez pas parti pour de bon. Particule par particule, les informations nécessaires à la reconstitution de votre corps réapparaîtront. La plupart des physiciens l’ont longtemps supposé; c’était le résultat de la théorie des cordes, leur principal candidat pour une théorie unifiée de la nature. Mais les nouveaux calculs, bien qu’inspirés de la théorie des cordes, sont autonomes, sans aucune corde en vue. L’information sort par le fonctionnement de la gravité elle-même – juste une gravité ordinaire avec une seule couche d’effets quantiques.

Histoire originale réimprimée avec la permission de Magazine Quanta, une publication éditoriale indépendante de la Fondation Simons dont la mission est d’améliorer la compréhension publique de la science en couvrant les développements et les tendances de la recherche en mathématiques et en sciences physiques et de la vie.

Il s’agit d’un renversement de rôle particulier pour la gravité. Selon la théorie générale de la relativité d’Einstein, la gravité d’un trou noir est si intense que rien ne peut y échapper. La compréhension plus sophistiquée des trous noirs développée par Stephen Hawking et ses collègues dans les années 1970 ne remettait pas en question ce principe. Hawking et d’autres ont cherché à décrire la matière dans et autour des trous noirs en utilisant la théorie quantique, mais ils ont continué à décrire la gravité en utilisant la théorie classique d’Einstein – une approche hybride que les physiciens appellent «semi-classique». Bien que l’approche prévoyait de nouveaux effets au périmètre du trou, l’intérieur est resté strictement isolé. Les physiciens pensèrent que Hawking avait réussi le calcul semi-classique. Tout progrès supplémentaire devrait également traiter la gravité comme quantique.

C’est ce que contestent les auteurs des nouvelles études. Ils ont trouvé des effets semi-classiques supplémentaires – de nouvelles configurations gravitationnelles que la théorie d’Einstein permet, mais que Hawking n’a pas incluses. Au début, ces effets dominent lorsque le trou noir devient extrêmement ancien. Le trou se transforme d’un royaume ermite à un système vigoureusement ouvert. Non seulement les informations se répandent, mais tout ce qui est nouveau est régurgité presque immédiatement. La théorie semi-classique révisée n’a pas encore expliqué comment exactement l’information sort, mais le rythme des découvertes a été tel au cours des deux dernières années que les théoriciens ont déjà des indices sur le mécanisme de fuite.

«C’est la chose la plus excitante qui se soit produite dans ce sujet, je pense, depuis Hawking», a déclaré l’un des co-auteurs, Donald Marolf de l’UC Santa Barbara.

«C’est un calcul historique», a déclaré Eva Silverstein de l’Université de Stanford, un physicien théoricien de premier plan qui n’était pas directement impliqué.

Vous pourriez vous attendre à ce que les auteurs fêtent, mais ils disent qu’ils se sentent également déçus. Si le calcul avait impliqué des caractéristiques profondes de la gravité quantique plutôt qu’un léger saupoudrage, cela aurait pu être encore plus difficile à réaliser, mais une fois cela accompli, cela aurait éclairé ces profondeurs. Ils craignent donc d’avoir résolu ce problème sans parvenir à la fermeture plus large qu’ils souhaitaient. «L’espoir était que si nous pouvions répondre à cette question – si nous pouvions voir les informations sortir – pour ce faire, nous aurions dû en apprendre davantage sur la théorie microscopique», a déclaré Geoff Penington de l’UC Berkeley, faisant allusion à un quantum complet. théorie de la gravité.

Ce que tout cela signifie est intensément débattu dans les appels et les webinaires Zoom. Le travail est hautement mathématique et a une qualité Rube Goldberg, enchaînant un tour de calcul après l’autre d’une manière difficile à interpréter. Les trous de ver, le principe holographique, l’espace-temps émergent, l’intrication quantique, les ordinateurs quantiques: presque tous les concepts de la physique fondamentale de nos jours font leur apparition, rendant le sujet à la fois captivant et déroutant.

Et tout le monde n’est pas convaincu. Certains pensent encore que Hawking a eu raison et que la théorie des cordes ou toute autre nouvelle physique doit entrer en jeu si l’information doit s’échapper. «Je suis très réticent aux gens qui viennent et disent:« J’ai une solution uniquement en mécanique quantique et en gravité », a déclaré Nick Warner de l’Université de Californie du Sud. «Parce que ça nous a déjà fait tourner en rond.»

Mais presque tout le monde semble être d’accord sur une chose. D’une manière ou d’une autre, l’espace-temps lui-même semble s’effondrer dans un trou noir, ce qui implique que l’espace-temps n’est pas le niveau racine de la réalité mais une structure émergente de quelque chose de plus profond. Bien qu’Einstein ait conçu la gravité comme la géométrie de l’espace-temps, sa théorie implique également la dissolution de l’espace-temps, raison pour laquelle l’information peut finalement échapper à sa prison gravitationnelle.

La courbe devient la clé

En 1992, Don Page et sa famille ont passé leurs vacances de Noël à Pasadena, à profiter de la piscine et à regarder la Rose Parade. Page, physicien à l’Université de l’Alberta au Canada, a également profité de la pause pour réfléchir à la réalité des trous noirs paradoxaux. Ses premières études sur les trous noirs, alors qu’il était étudiant diplômé dans les années 1970, ont été la clé de la prise de conscience de son conseiller Stephen Hawking que les trous noirs émettent des radiations – le résultat de processus quantiques aléatoires au bord du trou. En termes simples, un trou noir pourrit de l’extérieur vers l’intérieur.

Don Page à l’Université de l’Alberta en 2017.Photographie: John Ulan / Université de l’Alberta

Les particules qu’il jette semblent ne porter aucune information sur le contenu intérieur. Si un astronaute de 100 kilogrammes tombe, le trou grossit de 100 kilogrammes. Pourtant, lorsque le trou émet l’équivalent de 100 kilogrammes de rayonnement, ce rayonnement est complètement déstructuré. Rien sur le rayonnement ne révèle s’il provenait d’un astronaute ou d’un morceau de plomb.

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