Ethan Siegel: Pourquoi tout le monde est-il si préoccupé par le paradoxe de la disparition des informations dans un trou noir

Vous pensez probablement que pour sortir de l'attraction gravitationnelle de notre Terre, vous avez besoin de beaucoup d'énergie. Mais l'attraction de notre planète n'est rien comparée à beaucoup d'autres objets de l'univers. Même des choses comme le Soleil, une galaxie entière ou une étoile à neutrons s'estompent devant une petite zone compacte du cosmos remplie de tant de matière et d'énergie qu'il faudrait se déplacer plus rapidement que la lumière pour échapper à sa gravité. Il s'agit d'un trou noir - une zone où la gravité est si forte que rien, pas même la lumière, ne peut s'en échapper.



Un trou noir, qui se produit généralement après l'effondrement d'un noyau d'étoile supermassif, s'effondre inévitablement en une singularité, aux conditions auxquelles aucune matière, y compris les particules élémentaires, ne peut résister. Plusieurs dimensions spatiales s'effondrent en un point ou un anneau, et les lois connues de la physique cessent de fonctionner.

Le problème des trous noirs est lié aux informations qui y tombent. Selon nos idées, dans l'Univers, il existe des propriétés spécifiques de la matière et de l'énergie qui contiennent des informations. Une particule comme un proton ou un électron a non seulement une masse, une charge électrique et un spin, mais aussi des propriétés quantiques - nombre de baryons, nombre de leptons, hypercharge faible, charge de couleur et enchevêtrement quantique qui lie les particules. Si vous créez un trou noir à partir d'un tas de particules (cela prend généralement 10 ⁵⁸ particules), et chacun aura ses propres propriétés spéciales - en outre, il peut s'agir non seulement de protons et d'électrons, mais aussi de neutrons, de photons, de neutrinos, d'antineutrinos, de positrons et autres - alors leurs informations doivent d'une manière significative entrer dans un trou noir .



Mais les trous noirs ne se souviennent de rien. Apparemment, ils ne sont décrits que par la masse (déterminée par la quantité totale de masse et d'énergie qu'ils ont absorbée), la charge électrique et le moment angulaire (décrivant leur rotation).

Alors, où vont toutes les informations? Un trou noir né de l'effondrement d'une étoile ordinaire, en principe, codé à l'intérieur de l'information devrait être très différent d'un trou provenant d'une étoile constituée d'antimatière - et pourtant, cette information ne semble pas être codée dans un trou noir! Si nous prenons deux trous noirs identiques, ajoutons à un tas de neutrons et à un autre un mélange égal de protons avec des électrons, de sorte que leurs masses soient égales, ils devraient avoir des propriétés différentes, car ils devraient contenir différents nombres de baryons et de leptons . Mais on sait qu'il n'y aura aucune différence entre eux. Il sera impossible de les distinguer.



On peut décider que le salut contient un horizon d'événements, car cette frontière au-delà de laquelle la lumière ne peut pas aller semble «figée» dans le sens où tout ce qui y tombe restera à jamais sous la forme d'informations codées à la surface. Cette propriété a été découverte en 1939. Mais en 1974, Stephen Hawking a montré que ce n'était pas le cas. Sur de longues périodes, l'essence quantique de l'Univers et le fait que des fluctuations de particules et d'antiparticules se produisent dans l'espace incurvé de l'horizon des événements signifient que les trous noirs émettront comme un corps complètement noir, ce qui conduira finalement à leur évaporation.



Et c'est un gros problème en physique moderne, car les informations quantiques qui pénètrent dans un trou noir doivent être préservées selon les lois fondamentales. Mais ce qui émane d'un trou noir - le rayonnement d'un corps absolument noir - ne contient aucune information!

Voilà le paradoxe. Comment le résoudre? Les physiciens croient qu'il existe un moyen qui nous est inconnu (nécessitant peut-être une théorie quantique de la gravité), qui code néanmoins des informations «figées» sur l'horizon des événements dans le rayonnement sortant. Mais ça code? Et si oui, comment? Personne ne sait. L'annonce récente de Stephen Hawking a été un petit pas vers la réponse à cette question, et probablement une branche sans issue du développement de l'idée - comme la plupart des idées hypothétiques dans ce domaine.



Dès qu'un conflit surgit entre les prédictions des théories:

• qu'il y a des propriétés qui doivent être préservées
• et que l'état final du système contient d'excellentes valeurs de ces propriétés par rapport à l'état initial

il constitue alors une menace pour le développement scientifique. Ce paradoxe est un problème, car il dit que notre vision actuelle de quelque chose est incomplète. Existe-t-il une nouvelle loi de la physique? Y a-t-il une nouvelle application de lois célèbres que nous avons ratées? Ou ces propriétés ne sont-elles toujours pas préservées? Les informations sont-elles encodées dans l'état final? La gravité quantique clarifiera-t-elle ce problème?

Nous espérons obtenir une réponse à ces questions. En attendant, la présence d'un paradoxe signifie que nous avons un problème, et cela signifie que nous avons quelque chose à apprendre. Et pour tous ceux qui s'intéressent aux vérités scientifiques sur l'Univers, c'est la preuve qu'il nous reste encore beaucoup à comprendre.

Source: https://habr.com/ru/post/fr383837/