Trou noir avec jets et disque d'accrétionCher Dr Bee,
Pourquoi les physiciens s'inquiètent tant de la disparition des informations dans un trou noir, car il existe en outre d'autres processus irréversibles de nature plutôt routinière. Un exemple évident est l'augmentation de l'entropie dans un système isolé, et l'autre est les mesures en mécanique quantique.
Cordialement, Petteri.
Cher Petteri,
C'est une très bonne question. La confusion est étroitement liée au paradoxe de l'information en tant que disque d'accrétion avec un trou noir supermassif. Il y a quelques semaines, j'ai constaté que même mon mari ne comprenait pas vraiment ce problème, et qu'il n'avait pas seulement un doctorat en physique, il a également enduré mon discours sur cette question pendant 15 ans!
Je serai donc heureux d'expliquer pourquoi les théoriciens sont si préoccupés par l'information et la BH. Ce problème a deux aspects: scientifique et social. Commençons par le scientifique.
Dans la théorie générale classique de la relativité, les trous noirs ne posent pas de problèmes particuliers. Bien sûr, ils contiennent une singularité dans laquelle la courbure se transforme en infini - et cela est considéré comme contraire à l'esprit de la physique - mais les BH la cachent au-delà de l'horizon des événements, ce qui ne fait de mal à personne.
Mais, comme l'a souligné Stephen Hawking, étant donné que l'Univers, y compris le vide, est rempli de champs de matière quantique, vous pouvez calculer que les trous noirs émettent des particules; ce processus est aujourd'hui appelé «rayonnement Hawking». Une telle combinaison de gravité non quantifiée avec des champs de matériaux quantiques est connue sous le nom de gravité «semi-classique» et devrait servir de bonne approximation jusqu'à ce que les effets quantiques de la gravité puissent être négligés, c'est-à-dire jusqu'à ce que vous soyez très proche de la singularité.
Le rayonnement de Hawking est constitué de paires de particules enchevêtrées. Dans chacune des paires, une particule tombe dans le trou noir et l'autre s'enfuit. Cela entraîne une perte de masse de BH, c'est-à-dire que le BH est comprimé. En fin de compte, il perd complètement de la masse et, par conséquent, il ne reste que des particules de rayonnement Hawking dispersées partout.
Le problème est que les particules emballées ne contiennent aucune information sur ce qui a formé le trou noir. De plus, les informations des partenaires de ces particules tombées dans la BH sont également perdues. Si nous étudions les effets secondaires de l'évaporation de la BH, nous ne pouvons pas dire quel était l'état initial; vous ne pouvez calculer que la masse totale, la charge et le moment angulaire - trois «poils» de trous noirs (
et un qubit ). Il s'avère que l'évaporation du BH est irréversible.
Mais dans
la théorie quantique des champs (CFT), les processus irréversibles n'existent pas. S'exprimant dans un jargon technique, les BH transforment les états purs en états mixtes, ce qui ne devrait pas du tout se produire. Par conséquent, l'évaporation du BH conduit à des contradictions internes: vous combinez KTP avec GR, mais le résultat est incompatible avec KTP.
Répondre aux questions: l'augmentation de l'entropie n'implique généralement pas une irréversibilité fondamentale, seulement pratique. L'entropie augmente du fait que la probabilité de voir le processus inverse est faible. Mais en principe, tout processus doit être réversible: casser des œufs, pétrir de la farine, brûler des livres - les processus opposés peuvent être facilement décrits mathématiquement. Nous ne les observons tout simplement pas, car un tel événement nécessiterait des états initiaux extrêmement finement réglés. Une forte augmentation de l'entropie rend le processus pratiquement irréversible, mais théoriquement réversible.
Et cela est vrai pour tous les processus sauf l'évaporation des trous noirs. Aucun réglage fin ne retournera les informations perdues dans le trou noir. Il s'agit du seul cas connu d'irréversibilité fondamentale. Nous savons que c'est mauvais, mais nous ne savons pas exactement ce qui ne va pas. Nous sommes donc inquiets.
L'irréversibilité en mécanique quantique, dont vous avez parlé dans la question, vient du processus de mesure, mais l'évaporation du BH est irréversible avant même que les mesures aient été effectuées. Bien sûr, on peut objecter - pourquoi s'inquiéter autant si tout ce que nous pouvons observer devra encore être mesuré? Oui, une telle objection est possible, et elle a déjà été utilisée. Mais en soi, il n'élimine pas les contradictions. Quoi qu'il en soit, vous devez montrer comment vous pouvez réconcilier deux plates-formes mathématiques.
Ce problème a attiré une telle attention car ses mathématiques sont très claires et les conséquences sont globales. L'évaporation de Hawking dépend des propriétés quantiques des champs de matériaux, mais ne prend pas en compte les propriétés quantiques de l'espace et du temps. Par conséquent, il est généralement admis que la quantification de l'espace-temps est nécessaire pour éliminer les contradictions. Dans le processus de résolution du problème de la disparition de l'information, nous apprendrions quelque chose de nouveau dans le domaine de la théorie de la gravité quantique. Par conséquent, la disparition d'informations dans le trou noir est un excellent mystère logique avec d'énormes avantages potentiels - cela le rend si tentant.
Maintenant sur la sociologie. Vous avez peut-être remarqué que ce problème n'est pas si nouveau. Elle est apparue avant ma naissance. Tout au long de ma vie, des milliers d'ouvrages y ont été écrits et des centaines de solutions ont été proposées, mais les théoriciens ne peuvent s'entendre sur aucune d'entre elles. C'est parce qu'ils n'ont pas à le faire: pour les BH que nous pouvons observer (par exemple, au centre de notre galaxie), la température de rayonnement de Hawking est si basse que nous ne pouvons pas mesurer les particules volantes. Par conséquent, l'évaporation de BH est un bac à sable idéal pour la pensée mathématique.
Pour le problème de la perte d'informations, il existe une solution évidente qui a été mise en évidence depuis longtemps. Les BH détruisent l'information, car tout ce qui tombe au-delà de l'horizon est singulier et détruit. Mais la singularité est considérée comme un artefact mathématique, ce qui ne devrait pas l'être dans la théorie de la gravité quantique. Supprimez la singularité - supprimez le problème.
En effet, les calculs de Hawking cessent de fonctionner lorsque le BH perd presque toute sa masse et devient si petit que la gravité quantique commence à fonctionner. Cela signifie que l'information éclatera simplement dans la toute dernière phase, la phase de gravité quantique, et aucune contradiction ne se produira.
Mais cette solution évidente est également gênante, car si vous ne savez pas ce qui se passe près de la singularité et dans les cas à forte courbure, rien ne peut être calculé, car cela nécessitera la gravité quantique. Cette idée n'est donc pas très fructueuse. Peu d'articles scientifiques peuvent être écrits avec son aide, et peu ont écrit à ce sujet. Il est beaucoup plus fructueux de supposer que les calculs de Hawking sont erronés ailleurs.
Malheureusement, si vous fouillez dans la littérature et essayez de savoir sur quels motifs l'idée que les informations sortent dans une phase de forte courbure a été rejetée, vous constaterez que cette justification est principalement sociale, pas scientifique.
Si les informations sont retardées pendant longtemps dans le trou noir, cela signifie que les petits trous noirs doivent contenir de nombreuses combinaisons d'informations différentes. Plusieurs articles ont soutenu que ces BH devraient émettre des informations lentement, ce qui signifie que les petits BH devraient se comporter dans la pratique comme un nombre infini de particules. Dans ce cas, les auteurs des travaux affirment qu'ils devraient apparaître en quantités infinies même dans des champs de fond faibles (par exemple, à côté de la Terre), ce qui n'est pas observé dans la réalité.
Malheureusement, ces arguments sont basés sur l'hypothèse non fondée que l'intérieur de la BH est petit. Mais en relativité générale, il n'y a pas de lien évident entre la surface et le volume, car l'espace peut être courbé. L'hypothèse selon laquelle les petits BH pour lesquels la gravité quantique est forte peut être décrite comme des particules n'est
pas non plus fondée .
En conséquence,
Leonard Sasskind a écrit une œuvre rejetant l'idée que les informations restent longtemps dans le trou noir et soient publiées à la fin de leur vie. Cela a permis à tout le monde de déclarer que la solution évidente ne fonctionnait pas et de commencer à publier d'innombrables nouvelles œuvres avec leurs propres arguments.
Désolé pour le scepticisme, mais c'est ainsi que j'évalue cette situation. J'avoue même que j'avais moi-même contribué à cette montagne de papiers, car le monde scientifique fonctionne comme ça. J'ai aussi besoin de vivre de quelque chose.
C'est une autre raison pour laquelle les physiciens s'inquiètent tant de la disparition des informations en BH: puisque les discussions sur ce sujet ne se limitent pas aux données expérimentales, il est très facile d'écrire des articles dessus, et comme tant de personnes travaillent sur ce sujet, il n'y a pas non plus de citations problèmes.