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Lorsque le célèbre physicien Stephen Hawking est décédé plus tôt cette année, il a laissé un héritage scientifique qui incluait l'un des paradoxes les plus complexes de la physique théorique moderne. Son dernier article vient tout juste d'être publié, abordant de nouveau la question de savoir si des informations peuvent être extraites d'un trou noir ou si elles sont perdues à jamais. Le document postule que les informations peuvent être stockées dans un halo de "cheveux doux" entourant un trou noir.
Il était une fois, les physiciens croyaient que les trous noirs n'avaient pas de cheveux. "Nous pouvons souvent distinguer les gens en regardant leurs cheveux, mais les trous noirs semblaient complètement chauves", a écrit le co-auteur Malcolm Perry de l'Université de Cambridge. Le gardien. Autrement dit, tout ce dont vous aviez besoin pour décrire mathématiquement les trous noirs était leur masse et leur rotation. Donc, il n'y aurait aucun changement notable si vous jetiez quelque chose dans un trou noir – rien qui indiquerait ce que cet objet aurait pu être. Cette information est perdue.
Mais en 1974, Hawking s'est rendu compte que les trous noirs avaient aussi une température et, dans ce cas, ils devaient produire une sorte de rayonnement thermique. Ainsi, les trous noirs doivent également avoir une entropie – techniquement, un moyen de déterminer combien de façons différentes vous pouvez réorganiser les atomes d'un objet tout en conservant le même aspect. Hawking fut le premier à calculer cette entropie. Il a également introduit la notion de "rayonnement Hawking".
Santi Visalli / Getty Images
En mécanique quantique, l'espace vide n'est pas vraiment vide. Des paires matière / anti-matière de particules dites "virtuelles" apparaissent constamment et annihilent tout aussi rapidement. Mais si une paire apparaît près de l'horizon des événements d'un trou noir et qu'une de la paire tombe à l'intérieur, le trou noir émettra un tout petit peu d'énergie, réduisant ainsi sa masse d'un montant correspondant. Au fil du temps, le trou noir s'évaporera. Plus le trou noir est petit, plus il disparaît rapidement.
Naissance d'un paradoxe
La partie suivante de l'histoire commence avec un pari en 1991. Kip Thorne, physicien de Hawking et Caltech, parie que John Preskill (également à Caltech) déclare qu'une information tombant dans un trou noir est détruite et que vous ne pourrez jamais la récupérer. Preskill pensait que le rayonnement de Hawking pourrait le conserver lorsque le trou noir s'évaporerait. Hawking et Thorne ont fait valoir que toute information ainsi divulguée serait si mal comprise qu'elle serait inutile. À toutes fins utiles, les informations seraient perdues.
En 2004, le paradoxe semblait être résolu lorsque les physiciens ont proposé la notion de complémentarité des trous noirs. Dans ce scénario, les informations tombant dans un trou noir sont renvoyées simultanément. Aucun observateur ne peut être à la fois à l'intérieur et à l'extérieur de l'horizon des événements. Par conséquent, personne ne peut assister aux deux événements en même temps. Il y avait encore des questions lancinantes, mais l'argument a convaincu Hawking, et il a concédé le pari. Preskill a reçu une copie de Total Baseball: L'encyclopédie de baseball ultime comme son prix ", à partir de laquelle des informations peuvent être récupérées à volonté".
Mais un article de 2012 revisitant le paradoxe a jeté une clé supplémentaire dans les travaux. Tout en réfléchissant aux mécanismes possibles pour obtenir des informations d'un trou noir, le regretté Joseph Polchinski (Université de Santa Barbara) et trois collègues se sont rendus compte que trois postures fondamentales de la physique, tellement convaincues, ne pouvaient pas toutes être vraies. Il fallait se tromper et ils croyaient que c'était la nature de l'horizon des événements.
Les observateurs en chute seraient réduits à néant par un mur de feu littéral à l'horizon.
La sagesse conventionnelle affirmait que lorsque quelqu'un traversait l'horizon des événements, il ne remarquait rien. Ce n’est que lorsqu’ils se rapprochent de la singularité que les forces gravitationnelles extrêmes les déchirent en lambeaux (Thorne appelle cela "spaghettified"). Les physiciens appellent cela le scénario "Pas de drame". Mais Polchinski et al. a déclaré que les observateurs en chute seraient réduits à néant par un mur de feu littéral à l'horizon.
Cela ressemble à une proposition du théoricien des cordes de l’Ohio State University, Samir Mathur, quelques années auparavant. Mathur a fait valoir que les trous noirs ne sont pas des trous vides, mais remplis de chaînes (unités fondamentales de la théorie des cordes), avec une surface réelle comme une étoile ou une planète. Le pare-feu de Polchinski est essentiellement un fuzzball chaud.
Archives de photos CBS / Getty Images
Mais c’est la solution la plus simple pour résoudre le paradoxe. Les physiciens répugnent à sacrifier No Drama a proposé toutes sortes de solutions alternatives au cours des années suivantes. Hawking l'a également fait dans un article de 2014 de deux pages publié sur le site de pré-impression arXiv.org. Ce n'était pas un document technique, avec zéro équation, mais plutôt un résumé d'une conférence qu'il avait donnée lors d'une conférence l'année précédente.
Hawking a suggéré que l'horizon des événements n'est peut-être pas un point de non retour définitif au-delà duquel rien ne pourrait échapper à un trou noir. Peut-être n'y avait-il qu'un «horizon apparent» qui restreignait temporairement les informations. Les informations ne sont pas stockées à l'intérieur du trou noir mais dans sa limite: l'horizon des événements.
Trous noirs avec les cheveux mous
Le dernier article de Hawking s'appuie sur cette idée antérieure. Comme l'écrit Perry, lui et un troisième co-auteur, Andrew Strominger de Harvard, ont trouvé une lacune dans l'argument mathématique concluant que les trous noirs n'avaient pas de cheveux. Dans leur nouveau document, ils proposent un nouveau moyen de calculer l'entropie d'un trou noir. Ils montrent que vous pouvez enregistrer l'entropie d'un trou noir dans les photons (particules de lumière) qui rebondit sur l'horizon des événements. Ces photons forment une sorte de halo autour du trou noir que les auteurs ont surnommé "les cheveux mous". Et ces cheveux doux peuvent expliquer l’entropie.
"Nous ne savons pas que l'entropie de Hawking représente tout ce que vous pourriez éventuellement jeter sur un trou noir."
Hawking est mort avant que le papier puisse être publié. Mais Perry a déclaré à BBC News qu'il avait appelé son collègue juste avant cela – ignorant à quel point Hawking était devenu malade – et lui avait informé de ses conclusions par haut-parleur. "Quand je l'ai expliqué, il a simplement fait un énorme sourire", a déclaré Perry.
Les réactions de la communauté des physiciens théoriciens ont été prudemment positives jusqu'à présent. "Cet article propose un moyen de comprendre l'entropie des trous noirs astrophysiques en se basant sur les symétries de l'horizon des événements", a déclaré Marika Taylor, ancienne étudiante de Hawking et physicienne à l'Université de Southampton. Le gardien. "Les auteurs doivent émettre plusieurs hypothèses non triviales, la prochaine étape consistera donc à montrer que ces hypothèses sont valables."
Les auteurs admettent qu'il ne s'agit pas d'une solution complète au paradoxe de l'information sur les trous noirs, mais cela fournit des informations utiles. "Nous ne savons pas que l'entropie de Hawking représente tout ce que vous pourriez éventuellement jeter sur un trou noir", a déclaré Perry. Le gardien, ajoutant dans son propre essai d'accompagnement, "Bien que nous n'ayons pas résolu le paradoxe de l'information, nous espérons avoir ouvert la voie [to a solution]. "
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