Le physicien vivant le plus célèbre a proposé une nouvelle façon de résoudre l’un des problèmes les plus complexes de la physique moderne: un trou noir peut-il effacer des informations de l’univers? Selon Stephen Hawking et ses collaborateurs, la réponse serait peut-être non, si vous donniez une belle chevelure aux trous noirs.
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«Que ce soit ou non la réponse finale est totalement obscur pour nous», explique le co-auteur Malcolm Perry, physicien théoricien à l'Université de Cambridge. "Nous disons que c'est un pas en avant."
La description la plus élémentaire d'un trou noir indique que ce qui entre ne sort jamais. Basé sur la théorie de la relativité générale d'Einstein, qui décrit comment la gravité affecte le cosmos, un trou noir est si gigantesque que tout ce qui traverse son horizon, ou son horizon d'événements, est aspiré et perdu à tout jamais, même la lumière.
Dans les années 1970, Hawking découvrit que les trous noirs eux-mêmes pouvaient disparaître. Grâce aux prédictions de la mécanique quantique, les physiciens pensent que l’espace n’est pas un vide mais est rempli de particules dites virtuelles qui clignotent et disparaissent. Ces particules apparaissent par paires, condamnées à s'anéantir dès leur contact. Mais si une paire apparaît de part et d'autre de l'horizon des événements d'un trou noir, l'une est avalée et l'autre rayonne dans l'espace.
Le rayonnement qui s’échappe vole l’énergie du trou noir au moment de son départ, de sorte que celui-ci perd de la masse avec le temps. Il finit par s'évaporer de l'existence. Selon les calculs de Hawking, le rayonnement persistant - la seule trace d'un trou noir disparu - ne contient aucune information utile sur la formation du trou noir et sur ce qu'il a mangé.
C'est un problème pour les physiciens qui espèrent unir la relativité à la mécanique quantique, ce qui, selon la plupart des experts, interdit la perte d'informations. Détruisez une encyclopédie, brûlez-la ou perdez-la sous la gravité incroyablement forte d'un trou noir. Ses restes doivent toujours contenir des indices permettant, en théorie, de rebobiner la bande et de connaître son contenu d'origine.
À la recherche de cette réversibilité, Hawking a revisité ses calculs initiaux. À l'époque où il avait proposé le rayonnement des trous noirs, les théorèmes mathématiques avaient décrit les trous noirs comme des entités assez peu remarquables vus de l'extérieur. Tout ce qui pouvait être mesuré était la masse totale et la charge d'un trou noir, ainsi que sa vitesse de rotation.
Le nouveau travail, publié en ligne cette semaine sur le site de pré-impression arxiv.org, confère au monstre cosmique des caractéristiques distinctives supplémentaires connues sous le nom de «poils», dans ce cas, des changements infimes dans le vide juste en dehors de l'horizon des événements.
«Nous montrons que si vous jetez quelque chose sur un trou noir de la bonne manière, vous pouvez implanter des cheveux», explique le physicien théoricien Andrew Strominger de l'Université Harvard. Lui et ses collègues illustrent cela avec des particules chargées.
Comme l’énergie, la charge électrique ne peut être ni créée ni détruite. Parce que la charge doit être conservée dans l'univers, Hawking et ses co-auteurs suggèrent que les particules chargées traversant l'horizon des événements pourraient laisser des traces d'eux-mêmes dans l'espace sous la forme d'étranges particules de lumière, appelées photons mous, qui n'ont pas d'énergie. Ces photons bizarres modifient le vide de l'espace-temps et lui permettent de conserver des informations sur les particules d'origine.
Hawking et ses collègues proposent que le vide modifié stocke des informations sur des objets tridimensionnels à la surface du trou noir, de la même manière qu'un hologramme agit comme une représentation 3D d'une image plate.
"Que les mathématiques de la relativité générale le permettent ou non, c'est assez subtil", dit Lee Smolin, physicien théoricien à l'Institut Perimeter de physique théorique. Smolin préfère les explications quantiques des trous noirs en se basant sur leurs centres plutôt que sur leurs bords, ajoutant qu'il se tournera vers d'autres experts pour vérifier le calcul sur le nouveau papier.
Personne n’a encore signalé d’erreur dans les calculs, mais des craintes ont commencé à se faire jour, à savoir que la théorie est au mieux incomplète. Sabine Hossenfelder de l'Institut nordique de physique théorique demande quelle quantité d'informations les cheveux mous proposés pourraient coder. Elle souligne également que le document n'explique pas comment les cheveux, qui disparaîtraient avec le trou noir une fois évaporé, transféreraient leurs informations au rayonnement restant.
"Je ne suis pas du tout convaincue que la nouvelle idée proposée par Hawking, Perry et Strominger résolve le problème de la perte d'informations", écrit-elle sur le blog Backreaction. «Mais cela semble être une avenue intéressante qui mérite d’être explorée plus avant. Et je suis sûr que nous verrons plus d'exploration. "
