Cet article propose une introduction rapide au
paradoxe de la disparition d'informations dans un trou noir . Par souci de concision, certains détails sont omis. En outre, il convient de noter que la compréhension actuelle du problème est si confuse que la toute dernière partie de l'article ne peut être considérée comme fiable ou stable.
Fig. 1Deux théories contradictoires
On pense que les mathématiques de la théorie quantique, parfois appelées «mécanique quantique», régissent tous les processus physiques de la nature. Il peut être utilisé non pour prédire des événements spécifiques, mais uniquement pour obtenir la probabilité que quelque chose se produise. Mais les probabilités n'ont de sens que si vous additionnez toutes les probabilités de tous les différents résultats possibles et obtenez une somme égale à un. Une théorie quantique dans laquelle ce n'est pas le cas n'a pas de sens. Une conséquence de ceci est que dans la théorie quantique, l'information n'est jamais vraiment perdue ou copiée; en principe, vous pouvez toujours déterminer où le système a démarré (son état initial), en ayant des informations complètes sur ce qu'il a terminé (état final). Dans la fig. 1 montre la collision de deux particules et la fuite du lieu de collision de plusieurs particules qui portent, sous forme cryptée, des informations sur la nature et les propriétés des deux particules originales.
La théorie générale de la relativité est la théorie de la gravité d'Einstein, dans laquelle la gravité peut être considérée comme l'effet de la courbure de l'espace et du temps. La GR n'est pas une théorie quantique. Elle prédit avec précision ce qui se passera et ne donne pas la probabilité de résultats différents.
De 1915 à 1958, une compréhension s'est progressivement développée que des objets extrêmement compacts et massifs se sont transformés en trous noirs. Près d'eux, la gravité devient inhabituellement forte - à tel point que l'espace-temps est extrêmement déformé, et tout objet qui se rapproche trop d'eux et traverse l'horizon du trou noir - la surface de non-retour - ne peut pas s'échapper. Dans la fig. La figure 2 montre la formation d'un horizon de trous noirs au moment où deux coquilles de matière deviennent suffisamment compactes. Les informations sur ces deux coquilles se déplacent à l'intérieur de l'horizon et ne peuvent pas sortir - en GR.
Fig. 2Notez qu'il est impossible de dessiner correctement les trous noirs et les informations qu'ils contiennent. Mes illustrations ne peuvent pas démontrer la courbure de l'espace-temps. Par exemple, pour une compréhension complète, vous devez tenir compte du fait que l'horloge à l'intérieur du trou noir est complètement différente de celle à l'extérieur de l'horizon, qui, à son tour, ne fonctionne pas comme une horloge à distance. Ne prenez pas mes illustrations trop au sérieux, démontrant le côté conceptuel mais pas technique du problème.
L'horizon n'est pas un objet, mais un lieu au-delà duquel l'évasion devient impossible. Une analogie bien connue est un bateau approchant d'une cascade le long d'un cours d'eau en accélération. Lorsque le bateau franchit la courbe de non-retour (Fig. 3), son moteur devient incapable de combattre le courant et il va inévitablement tomber. Mais le capitaine du bateau ne remarquera pas le moment où la courbe traverse - ce n'est qu'une partie ordinaire de la rivière, dont l'importance ne deviendra claire que lorsque le capitaine tentera d'éviter une catastrophe. De la même manière, en traversant l'horizon en GR, vous ne remarquerez rien; ce n'est que lorsque vous essayez d'éviter le trou noir que vous constaterez que - oh - vous êtes venu trop près.
Fig. 3Le paradoxe de la disparition de l'information dans un trou noir
Le paradoxe est apparu après que Hawking en 1974-1975 a montré qu'un trou noir entouré de champs quantiques émettrait des particules (rayonnement Hawking) et rétrécirait (Fig.4), ce qui entraînerait son évaporation. Comparez avec la fig. 2, dans lequel des informations sur deux obus sont coincées à l'intérieur d'un trou noir. Dans la fig. 4 trous noirs disparaissent. Où sont passées les informations? S'il a disparu avec un trou noir, cela viole la théorie quantique.
Fig. 4: 1) les coquilles de matière sont comprimées; 2) un horizon se forme et un rayonnement de Hawking apparaît (sous forme de particules sans masse ou petite masse, par exemple des photons, des neutrinos ou des gravitons); 3) Le rayonnement de Hawking enlève de l'énergie, ce qui fait rétrécir la taille et la masse du trou noir; 4) à la fin, le trou noir disparaît complètement, ne laissant que le rayonnement Hawking. Autrement dit, les informations tombées dans un trou noir disparaissent, violant les principes de la théorie quantique. Faut-il changer la théorie quantique?Peut-être que les informations sont retournées avec le rayonnement Hawking? Le problème est que l'information ne peut pas s'échapper d'un trou noir. Elle ne peut pas entrer dans le rayonnement de Hocknig, sauf en copiant ce qui reste à l'intérieur. Mais avoir deux copies d'informations, une à l'intérieur et une à l'extérieur, viole également la théorie quantique.
Fig. 5: si les informations sont copiées dans le rayonnement de Hawking, cela viole la théorie quantique.Bien sûr, le point peut être que la théorie quantique est incomplète et que la physique des trous noirs nous oblige à l'étendre, car Einstein a étendu les lois de Newton avec sa théorie de la relativité. C'est ce en quoi Hawking a cru pendant trente ans.
Le principe de complémentarité: sauver la théorie quantique
Cependant, d'autres pensaient que ce n'était pas la théorie quantique qui devait être modifiée, mais la théorie générale de la relativité. En 1992, le "principe de complémentarité" a été proposé, selon lequel l'information est en un sens, à l'intérieur comme à l'extérieur, sans violer la théorie quantique. L'hypothèse a été développée par Sasskind et ses jeunes collègues. Plus précisément, les observateurs qui restent en dehors du trou noir voient comment les informations s'accumulent à l'horizon, puis s'envolent avec le rayonnement de Hawking. Les observateurs tombant dans un trou noir voient des informations à l'intérieur (Fig. 6). Comme ces deux classes d'observateurs ne peuvent pas communiquer, aucun paradoxe ne se pose.
Fig. 6: Le principe de complémentarité dit que tout dépend du point de vue. L'observateur à l'extérieur (2a) voit les informations stockées à l'extérieur et (3a) transmises au rayonnement Hawking. Un observateur tombant vers l'intérieur (2b) voit des informations à l'intérieur.Et pourtant, cette hypothèse est potentiellement contradictoire en interne, et nécessite quelques choses étranges pour être vraies. Parmi eux se trouve ce qu'on appelle «l'holographie», une idée développée par 't Hooft, puis Sasskind. L'idée est que la physique du contenu tridimensionnel d'un trou noir, dans lequel la gravité fonctionne évidemment, peut être considérée, à travers une transformation mystérieuse, comme de la physique, située directement au-dessus de l'horizon bidimensionnel, où elle est décrite par des équations bidimensionnelles, dans lesquelles la gravité n'entre pas du tout!
Fig. 7: Il est intéressant de noter qu'il est possible de décrire l'intérieur d'un trou noir à travers sa partie externe; cela a été montré à la fin des années 1990 et au début des années 2000. La théorie des cordes, qui contient une version quantique de GR, peut le faire dans certains cas.Curieusement, cette théorie a reçu une confirmation substantielle à la fin des années 1990, du moins pour certaines situations. En 1997, Maldacena a suggéré (et des centaines de personnes ont testé cette hypothèse de différentes manières) que dans certaines conditions
, la théorie des cordes (une généralisation quantique de GR, candidate à la théorie des lois de la nature de notre Univers) est équivalente à la théorie quantique (en particulier,
la théorie quantique des champs ) sans gravité et dans une moindre mesure nombre de mesures. Cette relation, connue sous le nom d'AdS / CFT ou «correspondance de champ / chaîne», mérite un article séparé.
Le succès de l'holographie a renforcé la croyance en la vérité du principe de complémentarité. De plus, la correspondance champ / chaîne a permis de montrer de façon assez convaincante que de petits trous noirs peuvent se former et s'évaporer dans la théorie des cordes dans un processus qui peut être décrit par la théorie du champ quantique correspondante (mais pas en détail) - et donc ce processus, comme tout autre le processus dans la théorie quantique, se produit avec la préservation de l'information! En 2005, même Hawking acceptait ce point de vue - que, comme le principe de complémentarité le suppose, les informations ne sont pas perdues dans les trous noirs et que les ressources génétiques doivent être modifiées, pas la théorie quantique.
Pare-feu et désordre actuel
Cependant, en principe de complémentarité, il y avait des incohérences. L'évaporation des trous noirs est si lente qu'en théorie quantique, il n'y a pas d'équations décrivant ce processus. À la recherche de ces équations, Almheiri, Morolf, Polchinski et Sally ont constaté que, selon des hypothèses raisonnables, le principe de complémentarité contient une contradiction interne qui se manifeste lorsque le trou noir s'évapore à mi-chemin. La preuve est assez délicate, elle inclut l'intrication quantique, que Einstein a appelée "effrayante", et qui est utilisée dans les ordinateurs quantiques. En gros, vers le milieu du processus, tant d'informations disparaissent du trou noir par le rayonnement de Hawking qu'il ne suffit pas d'afficher l'intérieur du trou noir à l'horizon à l'aide de l'holographie. Par conséquent, au lieu que l'observateur ne tombe calmement vers l'intérieur en passant par l'horizon inoffensif, comme sur la figure 6, l'observateur ne trouvera aucun intérieur, et très fort - il fera frire un pare-feu (mur de feu) suspendu directement au-dessus de l'horizon (Fig. 8).
Fig. 8La possibilité d'un pare-feu nécessiterait des changements drastiques dans GR. Dans le cas de la vérité, il se révélerait que la description des trous noirs dans GR, avec un grand volume interne, avec un horizon représentant juste un point de non-retour (comme sur la figure 3), et non un endroit spécial où quelque chose se passe, se révélerait être complètement faux après que le trou noir s'évapore sensiblement.
Le paradoxe est donc de retour! Et pire encore. Il s'avère que si la théorie quantique et le principe de complémentarité sont vrais, les GR ne doivent pas être partiellement modifiés - ils doivent être sérieusement refaits! Et aucun signe d'une telle refonte n'est observé dans la théorie des cordes, qui offre un exemple d'holographie. Mais la correspondance des champs / chaînes suggère que la théorie quantique peut décrire la formation et l'évaporation des trous noirs, de sorte que les informations ne disparaissent pas. Le principe de complémentarité peut-il être remplacé par quoi que ce soit? Ou l'un des arguments créant un paradoxe est-il faux?
Tout le monde est confus. Il existe de nombreuses suggestions pour résoudre ce puzzle. La plupart d'entre eux ne vous atteignent pas. Les médias vous parlent de Hawking parce qu'il est célèbre, mais il n'est qu'une des nombreuses voix qui discutent d'idées différentes. Toutes ces idées souffrent d'un problème: le manque d'équations pour prouver et expliquer les détails de leur fonctionnement. Et comme le manque d'équations a conduit au paradoxe du pare-feu, on peut difficilement sortir de cette situation, en s'appuyant sur une autre hypothèse avec un nombre insuffisant d'équations!
Mais, bien que Hawking ne soit que l'un des nombreux proposants, et bien qu'il n'y ait pas suffisamment d'équations dans son hypothèse, il sera très probablement incomplet et peut-être incorrect - vous voudrez probablement savoir ce qu'il a suggéré. Il est assez difficile de comprendre cela sans équations, mais voici comment je peux l'expliquer (Fig. 9). Hawking note que bien que la partie extérieure des trous noirs soit rapidement simplifiée, leur intérieur peut être très complexe. Les systèmes complexes, tels que la météo, montrent les propriétés du chaos, ce qui peut les rendre imprévisibles avant même d'utiliser la théorie quantique. Il suggère que cette complexité déstabilise l'horizon et permet aux informations cryptées à l'intérieur du trou noir de s'échapper. Puisque cela violerait les théorèmes de Hawking sur la relativité générale, je suppose que cela signifie que la relativité générale doit être modifiée. Et puisque son hypothèse est basée sur AdS / CFT (correspondance champ / chaîne), je suppose qu'il pense que cela devrait se produire dans la théorie des cordes. Et puisque ce qui est entré dans le trou noir en sort toujours, ces trous ne sont pas vraiment noirs - alors appelez-les «trous gris», ou «états gravitationnels liés métastables», ou «à première vue, trous noirs "- mais" noirs "n'est peut-être pas le bon terme.
Fig. 9: Je m'excuse auprès de Hawking, car ni moi ni personne dans mon entourage ne sait exactement ce qu'il veut dire. J'ai donc dû faire une ébauche de ce que je pense qu'il essaie de proposer.Mais cette proposition présente de nombreux problèmes évidents, dont le moindre n'est pas que le mystère du pare-feu apparaît déjà au niveau du trou noir à moitié vaporisé, et non en fin de vie. Par conséquent, le trou noir reste suffisamment grand lorsque les informations commencent déjà à fuir - et il est très difficile de se réconcilier avec la proposition de Hawking. N'attendez donc pas qu'un consensus se dégage sur la proposition de Hawking, surtout sans équations spécifiques à résoudre.
En tout cas, tout ce que vous avez appris sur les trous noirs est toujours essentiellement vrai. Les astrophysiciens n'ont pas à s'inquiéter des changements dans ce qu'ils pensent savoir des trous noirs stellaires ou galactiques. Au moins pour les grands trous noirs peu anciens, la proposition de Hawking n'entraînera aucun changement mesurable. Et si vous tombez dans un trou, vous ne pouvez toujours pas sortir ou envoyer un message à quelqu'un à l'extérieur. Donc, même s'il s'avère qu'il n'y a pas de trous noirs stricts, au centre de presque toutes les galaxies de l'Univers, il y aura toujours un trou «suffisamment noir».
Ne vous attendez pas à ce que ce puzzle vieux de 40 ans soit résolu bientôt. Très probablement, sa décision sera proposée par un jeune physicien, dont vous ne savez rien, ou même une personne à naître.