Trous noirs et murs académiques

Tomber dans un trou noir était simple: vous ne remarqueriez rien. Mais un mur peut-il apparaître sur votre chemin?

Selon Einstein, vous ne remarqueriez pas le moment de traverser l'horizon des événements d'un trou noir. Mais maintenant, les chercheurs prouvent qu'un mur coupe-feu (ou une brique) peut apparaître sur votre chemin. Sont-ils tous devenus fous d'un coup?



Tl; dr: Ouais.

Parfois, il est très difficile de comprendre pourquoi quelqu'un perdra du temps à résoudre un problème académique tel que la perte d'informations dans un trou noir. Et je dis cela, après avoir passé la majeure partie de la dernière décennie à penser aux trous noirs. Les physiciens n'ont-ils plus rien à faire dans un monde souffrant de guerre et de maladie, ou du moins d'erreurs grammaticales? Qu'est-ce qui motive ces chercheurs, outre l'espoir de faire la une des journaux grâce au puzzle vieux de 40 ans?



De nombreux physiciens travaillent aujourd'hui sur des sujets tels que la perte d'informations dans les trous noirs qui semblent dissociés de la réalité. Les trous noirs pourront détruire les informations après une évaporation complète, et cela ne se produira pas dans les 100 milliards d'années à venir. Ce qui motive ces scientifiques n'est pas l'application pratique de leurs idées, mais la prise de conscience qu'aujourd'hui, quelqu'un doit ouvrir la voie à la science, qui deviendra nécessaire dans cent, mille ou dix mille ans. Et en lisant les gros titres décrivant le gâchis qui se passe, je pense que la pureté surnaturelle de cet argument et la logique inévitable menant au paradoxe ne font qu'ajouter du poids.

Et je peux être emporté avec des puzzles de fil.



Si la perte d'informations dans les trous noirs est un détective spatial, alors la théorie quantique est une victime. Stephen Hawking a montré au début des années 1970 que la combinaison de la théorie quantique et de la gravité nous donne le rayonnement thermique des trous noirs. Ce «rayonnement Hawking» est constitué de particules qui ne contiennent aucune information autre que la température. Et lorsque le trou noir s'évapore complètement, toutes les informations sur ce qui y est tombé sont détruites. Mais une telle destruction d'informations est incompatible avec la théorie quantique elle-même, utilisée pour prouver cette conclusion. En théorie quantique, tous les processus sont réversibles dans le temps, mais l'évaporation d'un trou noir, apparemment, est irréversible.

Et c'est un casse-tête sérieux pour les physiciens, car cela montre que la gravité et la théorie quantique ne veulent pas se combiner. Expliquer le problème, faisant appel à la théorie inconnue de la gravité quantique, a également échoué. Le rayonnement de Hawking n'est pas un processus gravitationnel quantique, et bien que la gravité quantique devienne importante à un moment donné dans les étapes finales de l'évaporation du trou noir, il est avancé qu'il est alors trop tard pour extraire toutes les informations.



La situation a radicalement changé à la fin des années 1990, lorsque Maldacena a suggéré que certaines théories de la gravité étaient équivalentes aux théories de jauge. Cette fameuse «correspondance de la jauge et de la gravité» a été découverte dans la théorie des cordes, et bien qu'elle n'ait pas été prouvée mathématiquement, elle élimine le problème de la perte d'informations dans un trou noir, car quoi qu'il arrive pendant l'évaporation d'un trou noir, elle est décrite de manière équivalente dans la théorie de la jauge. Une théorie de jauge ne tue pas l'information, et donc il n'y a pas de problème.

Bien que la conformité de l'étalonnage et de la gravité ait convaincu nombre de personnes, dont Stephen Hawking lui-même, que les trous noirs ne détruisent pas l'information, elle n'a pas mis en lumière la manière exacte dont l'information s'échappe d'un trou noir. Les recherches se sont poursuivies, mais la complaisance s'est répandue parmi les physiciens théoriciens. La théorie des cordes semble avoir résolu le paradoxe, et ce n'est qu'une question de temps avant d'en comprendre les détails.



Mais tout s'est mal passé. Au lieu de cela, en 2012, un groupe de physiciens, Almheiri, Marolf, Polchinski et Sally (Almheiri, Marolf, Polchinski, Sully - AMPS) a montré que cette «décision» était contradictoire. Ils ont montré que les quatre hypothèses, dont la plupart des théoriciens des cordes estiment l'exactitude, ne peuvent pas être remplies simultanément. Ce sont les hypothèses:

1. Les trous noirs ne détruisent pas les informations.
2. .
3. , , .
4. , , .

La deuxième hypothèse reformule l'affirmation selon laquelle le rayonnement de Hawking n'est pas l'effet de la gravité quantique. Troisièmement, la dérivation des microstats des trous noirs dans la théorie des cordes à partir des calculs. Quatrièmement - le principe de l'équivalence d'Einstein. En bref, AMPS dit que l'une de ces hypothèses est incorrecte. L'un des témoins ment, mais qui exactement?

Dans leurs travaux, l'AMPS a suggéré, peut-être pas très sérieusement, d'abandonner l'hypothèse la moins contestée: la quatrième. Si vous abandonnez le n ° 4, les trois autres conduiront au fait qu'un observateur tombant dans un trou noir tombe sur un «mur de feu» et brûle en enfer. Cependant, le principe d'équivalence est le dogme de la relativité générale, et il ne peut être abandonné qu'en dernier recours.



Pour un observateur non initié, il semble évident que le 3ème témoin ment. Contrairement à d'autres hypothèses qui découlent de théories déjà connues et avec une grande précision, le numéro 3 découle de non vérifiées. Donc, si nous jetons l'une des hypothèses, alors ce sera peut-être l'hypothèse que la théorie des cordes a raison sur le contenu des trous noirs. Mais cette possibilité, bien sûr, n'est pas très populaire parmi les théoriciens des cordes.

En quelques mois, la section arxiv de la physique théorique des hautes énergies a été remplie de tentatives pour concilier ces hypothèses. Absolument toutes les solutions ont été proposées, de l'adoption de la théorie du mur coupe-feu aux expériences multivers et complexes de pensée, démontrant qu'un observateur tombant dans un trou noir ne remarquerait pas qu'il brûlerait. Oui, vous avez ici la physique moderne.

J'ai également contribué à cette discussion. J'ai trouvé tous les témoins convaincants, aucun d'eux n'a fait l'impression d'un menteur. En acceptant cela, j'ai réalisé que leur incompatibilité apparente venait de la cinquième hypothèse inopinée utilisée dans la preuve. Tout comme des témoignages apparemment contradictoires peuvent soudainement avoir un sens lorsque vous réalisez que la victime n'a pas été tuée là où vous avez trouvé le corps, ces quatre déclarations ont du sens lorsque vous n'avez pas besoin de sauvegarder des informations d'une certaine manière (de sorte la condition ne sera pas "typique"). Au lieu de cela, l'exigence de conservation d'énergie locale près de l'horizon des événements rend le mur de feu impossible et montre en même temps comment l'évaporation d'un trou noir reste compatible avec la théorie quantique.



Il me semble que personne n'a aimé mon travail. Peut-être en raison du fait qu'il a une image incompréhensible. Ou à cause de la conclusion que quelque part près de l'horizon des événements, il y a une frontière qui change la théorie quantique, et qu'elle est invisible pour tout observateur qui est près d'un trou noir. Les effets produits par cette frontière peuvent être mesurés, mais seulement à grande distance.

Et bien que mon hypothèse ait résolu le casse-tête avec un mur coupe-feu, cela n'a pas résolu le problème de la perte d'informations dans un trou noir. J'ai mentionné dans une note qu'en principe, vous pouvez utiliser cette limite pour transmettre des informations au rayonnement sortant, mais cela n'expliquerait toujours pas comment les informations parviennent généralement à cette limite.

Après la publication de l'ouvrage, j'ai à nouveau juré de ne plus penser à l'évaporation du trou noir. Mais la semaine dernière, une préimpression de 't Hooft est apparue dans arxiv. C'est l'une des premières personnes à bricoler avec la thermodynamique d'un trou noir, et dans son nouveau travail, 't Hooft suggère que l'horizon des événements du trou noir agit comme une frontière reflétant l'information - un "mur de briques", comme décrit par New Scientist. L'idée a été inspirée par l'hypothèse récente de Steven Hawking selon laquelle la plupart des informations tombant dans un trou noir sont stockées à l'horizon. Si c'est le cas et que vous pouvez donner à l'horizon une chance de fonctionner, les informations pourront à nouveau quitter le trou noir.

Bien sûr, je ne pense pas que les briques soient une grande amélioration par rapport au feu, et je suis sûr que cette idée ne décollera pas. Mais après toute cette confusion, cela peut nous aider à mieux comprendre comment l'horizon interagit exactement avec le rayonnement de Hawking et comment il parvient à coder les informations qu'il contient.

Avance rapide de mille ans. Nous attendons là la théorie de la gravité quantique, qui nous permet de comprendre le comportement de l'espace et du temps aux distances les plus courtes, et, comme beaucoup l'espèrent, la source de la théorie quantique elle-même, ou même de la matière. Le progrès est de petites étapes, et parfois l'histoire nous mène en rond, mais les physiciens sont soutenus par la connaissance que des solutions doivent exister et qu'un tueur d'informations sera attrapé. Il n'y a pas d'astuce pour lire la dernière page du livre - elle n'a pas encore été écrite.

Source: https://habr.com/ru/post/fr397067/