Le fameux paradoxe du trou noir semble résolu. Mais tout est très compliqué

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Le fameux paradoxe du trou noir semble résolu. Mais tout est très compliqué
Le fameux paradoxe du trou noir semble résolu. Mais tout est très compliqué
Anonim

Depuis 50 ans, les physiciens théoriciens tentent de résoudre le célèbre paradoxe du trou noir, qui prédit que ces monstres cosmiques sont bien plus complexes que ne le suggère la relativité générale. Le fait est que selon la théorie d'Einstein, les trous noirs sont étonnamment simples. Si vous connaissez la masse, la charge et la rotation d'un trou noir, alors vous savez tout ce que vous devez savoir à son sujet. Il s'avère que les trous noirs sont l'un des personnages les plus simples et les plus compréhensibles de tout l'Univers. Mais cette apparente simplicité crée un paradoxe inquiétant. Dans les années 1970, le célèbre astrophysicien Stephen Hawking s'est rendu compte que les trous noirs ne sont pas complètement noirs. Au lieu de cela, ils émettent de la lumière à travers un processus de mécanique quantique subtil à leurs horizons d'événements ou aux bords des trous noirs, d'où rien, pas même la lumière, ne peut s'échapper. Parce que les trous noirs sont si simples et ne peuvent être décrits qu'avec trois chiffres, toutes les informations sur le matériau qui pénètre dans les trous noirs sont apparemment verrouillées pour toujours. Peu importe si vous créez un trou noir à partir d'étoiles mortes et de poussière interstellaire ou un trou noir à partir de chats; tant que ces deux trous noirs ont le même spin, la même masse et la même charge, ils seront identiques. Mais qu'arrive-t-il finalement à l'information ?

Paradoxe de l'information

L'univers est incroyable. Et c'est dommage que les villes modernes soient si fortement polluées par l'éclairage, car les étoiles dans le ciel nocturne sont pratiquement invisibles. Pendant ce temps, si chaque nuit nous voyions la Voie lactée par la fenêtre et chaque mois d'août, nous regardions le flux des Perséides dans le confort de notre maison, nous penserions probablement plus souvent à l'Univers. En fin de compte, les théories physiques les plus folles, par exemple sur la multiplicité des mondes ou sur le fait qu'à l'aide de trous noirs, il est possible de voyager dans ce même Multivers, peuvent s'avérer être la réalité, qui sait.

En attendant, Andrei Linde et d'autres scientifiques suggèrent que notre Big Bang n'était pas le seul, les efforts des autres visent à étudier les trous noirs, dont l'existence a été prouvée il y a plusieurs années.

Stephen Hawking, qui a consacré de nombreux travaux scientifiques à ces monstres spatiaux, pensait que lorsque le trou noir émet un rayonnement, il s'évapore, finissant par disparaître complètement - d'où le soi-disant paradoxe de l'information du trou noir. Si un tas d'informations tombe dans un trou noir et que les informations ne peuvent pas être détruites, quand le trou noir disparaît-il et où vont toutes les informations ?

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Un instantané d'un trou noir pris avec un réseau de télescopes répartis sur huit continents. Ce que nous voyons dans l'image est plus grand que l'ensemble de notre système solaire. La masse de ce trou noir dépasse la masse solaire de 6,5 milliards de fois.

Dans une série de travaux révolutionnaires, les physiciens théoriciens ont frôlé la résolution du paradoxe de l'information sur les trous noirs qui les fascine et les tourmente depuis près de 50 ans. L'information, disent-ils maintenant avec assurance, est en effet en train de s'échapper du trou noir.

Si vous sautez dans un trou noir, vous ne serez pas perdu pour toujours. Partie par partie, les informations dont vous avez besoin pour réparer votre corps réapparaîtront. La plupart des physiciens ont longtemps supposé que ce serait le cas; c'était le résultat de la théorie des cordes, le principal candidat pour une théorie unifiée de tout. Mais les nouveaux calculs, bien qu'inspirés de la théorie des cordes, n'impliquent pas en eux-mêmes leur existence.

L'information sort grâce à l'action de la gravité elle-même - juste une gravité ordinaire avec une couche d'effets quantiques, disent les chercheurs. C'est une sorte de changement dans le rôle de la gravité.

Changer le rôle de la gravité

Selon la théorie de la relativité générale d'Einstein, la gravité d'un trou noir est si forte que rien ne peut lui échapper. La compréhension plus sophistiquée des trous noirs, développée par Stephen Hawking et ses collègues dans les années 1970, ne remettait pas en cause ce principe. Hawking et d'autres ont essayé de 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 ait prédit de nouveaux effets autour du périmètre du trou, l'intérieur est resté strictement isolé. Les physiciens ont conclu que Hawking avait fait le bon calcul semi-classique - tout progrès supplémentaire devrait également traiter la gravité comme quantique.

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Un tel trou noir a été vu par les cinéastes de "Interstellar"

Or, c'est précisément ce que contestent les auteurs de nouvelles études. Selon Wired, ils ont découvert des effets semi-classiques supplémentaires - de nouvelles configurations gravitationnelles que la théorie d'Einstein permet, mais que Hawking n'a pas incluses.

Au début atténués, ces effets commencent à dominer lorsque le trou noir devient très vieux. Le trou se transforme d'un royaume d'ermites en un système vigoureusement ouvert. Non seulement l'information s'infiltre, mais tout ce qui y est nouveau entre en éruption presque immédiatement. La théorie semi-classique révisée n'a pas encore expliqué exactement comment l'information sort, mais au cours des deux dernières années, le rythme des découvertes a été tel que les scientifiques ont des indices d'une résolution du paradoxe.

D'une manière ou d'une autre, il reste encore beaucoup de travail pour les théoriciens - l'espace-temps lui-même semble se désintégrer en 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. Et bien qu'Einstein ait compris la gravité comme la géométrie de l'espace-temps, sa théorie implique également la décomposition de l'espace-temps, et c'est pourquoi l'information peut finalement s'échapper de sa prison gravitationnelle.

Trous noirs, ordinateurs quantiques et non-localité

Dans de nombreuses tentatives pour résoudre le paradoxe de l'information des trous noirs, les chercheurs ont eu recours à des simulations informatiques, qui sont en elles-mêmes un système physique; la modélisation quantique, en particulier, n'est pas entièrement différente de ce qu'elle modélise. Les physiciens ont donc imaginé qu'ils collectaient tout le rayonnement, l'injectaient dans un ordinateur quantique massif et exécutaient une simulation complète d'un trou noir.

Et cela a conduit à des résultats remarquables. Puisque le rayonnement est associé au trou noir d'où il provient, l'ordinateur quantique est également fortement associé au trou noir. Dans le cadre de la simulation, l'intrication quantique est transformée en une relation géométrique entre le trou noir simulé et l'original. En termes simples, ils sont reliés par un trou de ver.

Il y a un trou noir physique puis simulé dans un ordinateur quantique, et il pourrait y avoir une réplique exacte d'un trou de ver entre les deux », a déclaré Douglas Stanford, physicien théoricien à l'Université de Stanford et co-auteur de la nouvelle étude. Cette idée est un exemple de la suggestion de 2013 selon laquelle l'intrication quantique peut être considérée comme un trou de ver. Le trou de ver, à son tour, fournit un tunnel secret à travers lequel les informations peuvent entrer.

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Les ordinateurs quantiques pour simuler les trous noirs sont plus proches qu'il n'y paraît.

Une discussion plus approfondie, inévitablement, concernait la façon de comprendre littéralement tous ces trous de ver. Les trous de ver sont si profondément immergés dans les équations que leur lien avec la réalité semble faible, mais ils ont toujours des conséquences tangibles. En connectant deux emplacements distants, les trous de ver permettent aux événements d'un emplacement d'affecter directement l'emplacement distant, sauf qu'une particule, une force ou une autre influence ne traverse pas la distance intermédiaire. Cet effet de la physique est appelé non-localité.

Nous avons toujours su qu'il doit y avoir des effets non locaux impliqués dans la gravité, et c'est l'un d'entre eux, notent les chercheurs. Les choses que vous pensiez indépendantes ne le sont pas vraiment.

À première vue, c'est incroyable. Einstein a construit la relativité générale dans le but explicite d'éliminer la non-localité de la physique. La gravité ne voyage pas instantanément dans l'espace. Il doit se propager d'un endroit à un autre à une vitesse finie, comme toute autre interaction dans la nature.

Mais au cours des dernières décennies, il est devenu clair pour les physiciens que les symétries sur lesquelles repose la relativité créent une nouvelle génération d'effets non locaux.

Ainsi, en février 2020, une équipe de physiciens a découvert que les symétries de la théorie de la relativité ont des effets encore plus étendus qu'on ne le suppose habituellement, ce qui peut donner à l'espace-temps la qualité d'une salle miroir vue lors de l'analyse des trous noirs.

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C'est ainsi qu'un trou noir courbe l'espace-temps.

Tout cela renforce la conjecture de nombreux physiciens selon laquelle l'espace-temps n'est pas un niveau racine de la nature, mais résulte d'un mécanisme sous-jacent qui n'est ni spatial ni temporel. Les nouveaux calculs disent à peu près la même chose, mais sans référence à la dualité ou à la théorie des cordes. Les trous de ver apparaissent parce qu'ils sont le seul langage que l'intégrale du chemin peut utiliser pour indiquer que l'espace s'effondre. C'est la façon dont la géométrie dit que l'univers est finalement non géométrique.

Et bien que les physiciens mettront du temps à confirmer ou infirmer les résultats de l'étude, au final, même les auteurs de l'ouvrage ne s'attendaient pas à résoudre le paradoxe de l'information des trous noirs de cette manière et sans une théorie quantique complète de la gravité. Mais si nous supposons que leurs calculs sont corrects, alors la théorie des trous noirs ne contient plus la contradiction logique qui la rend paradoxale. En un mot, Viva la physique et l'esprit humain.

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