Un nouveau trou de ver permet à l'information de s'échapper des trous noirs

Les physiciens ont avancé la théorie selon laquelle un nouveau type de trous noirs «passables» peut résoudre un paradoxe complexe et enregistrer les informations qui ont pénétré dans les trous noirs

En 1985, lorsque Carl Sagan a écrit son roman «Contact», il a dû déplacer rapidement son protagoniste, le Dr Ellie Arroway, de la Terre à l'étoile Vega. Il a fait en sorte qu'elle tombe dans un trou noir et soit sortie à quelques années-lumière d'elle, mais il n'a pas compris si un tel complot avait du sens. L'astrophysicien de l'Université Cornell et présentateur de télévision de renom a consulté son ami Kip Thorne , un expert du trou noir au California Institute of Technology (il a récemment remporté le prix Nobel ). Thorne savait qu'Arroway ne pouvait pas se rendre à Vega à l'aide d'un trou noir, qui est censé attraper et détruire tout ce qui y pénètre . Mais il a réalisé qu'elle pouvait utiliser un autre type de trou qui ne contredit pas la théorie générale de la relativité d'Einstein: un tunnel ou un trou de ver, reliant des endroits éloignés de l'espace-temps.

Les trous de ver théoriques les plus simples s'effondrent et disparaissent immédiatement avant que rien ne puisse les traverser. Mais Thorne se demanda si la civilisation de science-fiction "infiniment avancée" serait en mesure de stabiliser le trou de ver assez longtemps pour que quelque chose ou quelqu'un puisse le traverser. Il pensait qu'une telle civilisation pourrait aménager un tunnel avec des «matériaux exotiques» qui résisteraient à l'effondrement. Le matériau doit avoir une énergie négative qui repousse le rayonnement et l'espace-temps. Sagan a utilisé cette astuce dans "Contact", attribuant l'invention de matériaux exotiques à une civilisation perdue antérieure, afin de ne pas entrer dans les détails. Pendant ce temps, ces mêmes détails ont été capturés par Thorne, ses étudiants et de nombreux autres physiciens qui ont passé des années à étudier les trous noirs passables et leurs applications théoriques. Ils ont découvert que ces BH peuvent servir de machines à voyager dans le temps et provoquer les paradoxes du voyage dans le temps - et cela prouve que la nature interdit l'existence de matériaux exotiques.

Aujourd'hui, des décennies plus tard, de nouveaux types de BH passables sont apparus qui ne nécessitent pas de matériaux exotiques et sont potentiellement capables d'aider les physiciens à démêler le paradoxe complexe de la BH. C'est ce paradoxe qui a empêché le développement de la première ébauche de Kontakt et a conduit Thorne à penser aux trous noirs passables - à savoir, tout ce qui tombe dans le trou noir disparaît sans laisser de trace. L'effacement complet des informations viole les règles de la mécanique quantique et conduit les experts à une telle difficulté qu'au cours des dernières années, certains ont même commencé à affirmer qu'un trou noir n'avait pas de viscères du tout - l'espace et le temps finissent étrangement à leur horizon.

Une rafale de découvertes a commencé en 2016 avec des travaux faisant état du premier trou de ver passable qui ne nécessitait pas l'ajout de matériaux exotiques pour rester ouvert. Selon Ping Gao et Daniel Jafferis de l'Université Harvard et Aaron Wall de Stanford, une énergie négative répulsive dans l'utérus du trou de ver peut être générée de l'extérieur par une liaison quantique spéciale entre la paire de trous noirs qui forment les deux entrées de trou de ver. Si les deux BH sont correctement connectés, alors quelque chose jeté dans l'un d'eux volera rapidement à travers le trou de ver, et après certains événements dans l'univers externe, sautera du second. Fait intéressant, Gao, Jafferis et Wall ont noté que leur script est mathématiquement équivalent à la téléportation quantique - c'est la clé de la cryptographie quantique, et cela a déjà été démontré en laboratoire.

John Preskill , un expert des trous noirs et de la gravité quantique de Caltech, dit que les nouveaux trous de ver qui ont été parcourus sont une surprise et ont des implications pour le paradoxe de l'information et l'intérieur des trous noirs. «Ce que j'aime le plus», dit-il, «c'est que l'observateur peut entrer dans le trou noir puis s'enfuir et dire ce qu'il a vu.» Cela indique l'existence de l'intérieur de la BH et que tout ce qui y pénètre doit revenir en arrière.

Équation mystérieuse

Les travaux sur un nouveau trou de ver ont commencé en 2013, lorsque Jafferis a assisté à une présentation intéressante lors d'une conférence de cordes en Corée du Sud. Le conférencier, Juan Maldacena , professeur de physique au Princeton Institute for Advanced Studies, a conclu de diverses preuves indirectes et raisonnements que ER = EPR . C'est-à-dire que les trous de ver entre les points éloignés de l'espace-temps, dont les plus simples sont appelés ponts Einstein-Rosen, ou ER, sont équivalents (mais pas de la manière la plus évidente) aux particules quantiques intriquées, également connues sous le nom de paires Einstein-Rosen-Podolsky, EPR. L'hypothèse ER = EPR , avancée par Maldasena et Leonard Sasskind de Stanford, tente de résoudre la version moderne du fameux paradoxe de l'information sur les trous noirs en associant la géométrie spatio-temporelle contrôlée par TOT à des liaisons quantiques instantanées entre les particules séparées par la distance, ce qu'Einstein a appelé "une action effrayante à long terme".

Le paradoxe se profile obscurément depuis 1974, lorsque le physicien britannique Stephen Hawking a déterminé que les BH s'évaporent - ils rayonnent lentement de la chaleur sous forme de particules, connues sous le nom de «rayonnement de Hawking». Hawking a calculé que cette chaleur était complètement aléatoire; il ne contient pas d'informations sur le contenu du trou noir. Et lorsque le trou noir cesse d'exister, la même chose se produit avec l'enregistrement de l'univers à propos de tout ce qui est tombé à l'intérieur du trou noir. Mais cela viole le principe d'unité, la base de la théorie quantique, qui prétend que lorsque les particules interagissent, les informations à leur sujet ne sont jamais perdues, seulement mélangées - donc si vous retournez la flèche temporelle de l'évolution quantique de l'Univers, vous verrez comment les choses réapparaissent, recréant avec précision le passé.


Daniel Jafferis, professeur agrégé de physique à l'Université Harvard

Presque tout le monde croit à l'unité, donc l'information est simplement obligée de fuir le trou noir - mais comment? Au cours des cinq dernières années, certains théoriciens, en particulier Joseph Polchinski de l'Université de Californie à Santa Barbara, ont affirmé que les trous noirs sont des coquilles vides sans aucun remplissage, et Ellie Arroway, après avoir atteint l'horizon des événements du trou noir, tomberait sur un «pare-feu» et irradierait en arrière.

De nombreux théoriciens croient en l'existence de BH à l'intérieur (et de transitions plus douces à travers leur horizon), mais pour les comprendre, ils doivent déterminer le sort des informations qui y pénètrent. Cela est nécessaire pour construire une théorie quantique de la gravité de travail, une combinaison longtemps recherchée de physique quantique et une description de l'espace-temps, qui se manifeste le plus intensément à l'intérieur des BH, où l'extrême gravité travaille à des échelles quantiques.

La gravité quantique a conduit Maldasenu, et après lui Jafferis, à l'idée de ER = EPR et des trous de ver. La relation supposée entre les tunnels spatio-temporels et l'intrication quantique, décrite par une hypothèse, coïncidait avec l'idée récente que l'espace est assemblé avec l'intrication quantique. Apparemment, les trous de ver ont un rôle spécial dans l'assemblage de l'espace-temps et dans l'échappement des informations du trou noir - mais comment cela peut-il fonctionner? Lorsque Jafferis a entendu le rapport de Maldacena sur sa mystérieuse équation et ses arguments, il savait que le trou de ver ER standard était instable et infranchissable. Mais il s'est demandé ce que pourrait signifier la dualité de l'équation de Maldasena pour un trou de ver praticable - avec lequel Thorne et d'autres ont joué il y a plusieurs décennies. Trois ans après le rapport en Corée du Sud, Jafferis et ses collègues Gao et Wall ont présenté leur réponse. Leur travail élargit l'idée de ER = EPR, assimilant non pas un trou de ver standard et une paire de particules enchevêtrées, mais un trou de ver passable et la téléportation quantique: une loi ouverte en 1993 qui permet à un système quantique de disparaître et de réapparaître indemne ailleurs.

Maldacena a lu le travail de Gao, Jafferis et Wall: "Il m'a semblé que c'était une très bonne idée, une de celles qui semblent évidentes quand on la découvre." Maldasen et ses assistants, Douglas Stanford et Zhen-Bin Young, ont immédiatement commencé à étudier les conséquences nouvellement découvertes de cette idée pour le paradoxe informationnel de BH; leur nouvel emploi est apparu en avril. Susskind et Yin Zhao de Stanford ont poursuivi la téléportation par des trous de ver en juillet. Les trous de ver «brossent un tableau géométrique intéressant du processus de téléportation», a déclaré Maldacena. "Le message se déplace à travers le trou de ver."


Que se passe-t-il en tombant dans un trou noir

Plonger dans des trous de ver

Dans leur article Diving Into Passable Wormholes , publié dans Fortschritte der Physik, Muldacena, Stanford et Young examine un nouveau type de trou de ver reliant deux trous noirs: un parent BH et une fille BH formées à partir de la moitié du rayonnement de Hawking émis par le parent lors de l'évaporation. Deux systèmes sont confondus au maximum. Le sort des informations de l'ancien BH est alors clair: il pénètre par le trou de ver dans la filiale BH.

Lors d'un entretien dans son bureau calme de l'Institut d'études avancées de Maldassen, un Américain taciturne d'origine argentine, avec plusieurs idées influentes derrière lui, a décrit ses pensées radicales. À droite du tableau noir taché de craie, Maldassen a peint une image pas si distincte de deux trous noirs reliés par un trou de ver praticable. À gauche, il a esquissé une expérience sur la téléportation quantique, réalisée par les célèbres expérimentateurs fictifs Alice et Bob, possédant respectivement les particules enchevêtrées quantiques a et b. Supposons qu'Alice veuille téléporter un qubit q vers Bob. Elle prépare l'état combiné q et a, le mesure (tout réduit à une paire de bits classiques, 1 et 0), et envoie le résultat de la mesure à Bob. Il peut ensuite l'utiliser comme clé pour travailler sur b pour recréer l'état q. Et maintenant, l'unité d'information quantique est téléportée d'un endroit à un autre.

Maldacena se tourna vers le côté droit de la planche. «Les opérations peuvent être effectuées avec une paire de BH équivalant à ce que je vous ai dit sur la téléportation quantique. Et sur cette image, le message passe vraiment par le trou de ver. »


Juan Maldacena

Supposons qu'Alice lance qubit q à BH A. Ensuite, elle mesure la particule de rayonnement Hawking a et envoie le résultat de la mesure à travers la partie extérieure de l'Univers à Bob, qui peut utiliser ces connaissances pour travailler sur b, la particule de rayonnement Hawking émanant de BH B.Le travail de Bob recrée q , qui semble avoir sauté du trou B, et correspond idéalement à ce qui est tombé dans A. C'est pourquoi certains physiciens éprouvent une telle excitation joyeuse à ce sujet: le trou de ver Gao, Jafferis et Wall vous permet de recréer des informations à partir du trou noir. Dans leur travail, ils ont placé leur trou de ver dans un espace-temps à courbe négative, qui sert souvent de champ utile, quoique irréaliste, pour des expériences dans la théorie de la gravité quantique. Cependant, l'idée des trous de ver s'étend au monde réel, à condition que les deux BH soient connectés de la bonne manière: «Ils doivent être connectés de manière causale, et la nature des interactions que nous avons décrites sera le cas le plus simple qui puisse être imaginé», explique Jafferis. Si le rayonnement de Hawking d'un BH peut tomber dans un autre, alors deux BH s'emmêlent et les informations quantiques tombant dans l'un d'entre eux proviennent de l'autre.

Le format de téléportation quantique interdit l'utilisation de trous de ver accessibles à pied comme machines à remonter le temps. Tout ce qui passe à travers le trou de ver doit attendre que le message d'Alice atteigne Bob à travers l'Univers extérieur, jusqu'à ce qu'elle puisse sortir de la BH de Bob - de sorte que le trou de ver ne fournit pas une vitesse superluminale qui pourrait être utilisée pour un voyage dans le temps. Apparemment, des trous de ver accessibles à pied peuvent exister dans la nature, tant qu'ils n'offrent pas d'avantages en termes de vitesse. «Les trous de ver passables sont comme un prêt bancaire», écrivent Gao, Jafferis et Wall dans leur travail. "Vous ne pouvez l'obtenir que lorsque vous êtes assez riche pour ne pas avoir besoin de vous."

Poulpe naïf

Bien que les trous noirs passables ne révolutionneront pas le voyage spatial, Preskill fait valoir que la nouvelle découverte fournit une "solution prometteuse" au problème du pare-feu du trou noir, suggérant qu'il n'y a pas de pare-feu à leur horizon. Preskill a déclaré que la découverte enregistre la «complémentarité du trou noir», ce qui signifie que l'intérieur et l'extérieur des BH ne sont pas deux systèmes différents, mais servent de deux façons différentes mais complémentaires de regarder le même système. Si la complémentarité persiste, comme beaucoup l'ont suggéré, alors en se déplaçant à travers l'horizon des événements BH d'une partie de l'Univers à une autre, Ellie Arroway de Kontakt n'aurait rien ressenti d'étrange. Apparemment, sous certaines conditions, elle pourrait même se glisser à travers le trou de ver de Gao-Jafferis-Wall.

Le trou de ver protège également l'unité - le principe de la non-perte d'information - du moins dans le cas des BH déroutants actuellement à l'étude. Tout ce qui tombe dans un BH vient d'un autre sous forme de rayonnement Hawking, comme le dit Preskill, qui "peut alors être considéré comme une version très fortement cryptée de l'intérieur du BH."

Résumant l'ouverture à une conclusion logique, Preskill pense qu'il devrait être possible (au moins pour une civilisation infiniment avancée "d'influencer l'intérieur de l'un de ces BH en manipulant son rayonnement. Cela" sonne fou ", comme il l'a écrit dans une de ses lettres, mais "Cela peut avoir du sens si nous nous souvenons que le rayonnement confondu avec le trou noir - EPR - est connecté à l'intérieur du trou noir avec des trous de ver - ER. Ensuite, la manipulation du rayonnement peut envoyer un message qui peut être lu à l'intérieur du trou noir! Mais nous avons encore beaucoup de travail à faire avant comment pouvons-nous m description détaillée de cette image ".

Il existe de nombreux obstacles à la généralisation de nouveaux trous de ver ouverts pour décrire le sort de toutes les informations quantiques et la valeur de l'équation ER = EPR.


Une esquisse d'une pieuvre expliquant l'idée de ER = EPR

L'article de Muldasena et Sasskind, prouvant que ER = EPR, est une esquisse appelée «poulpe»: un trou noir avec des trous de ver ressemblant à des tentacules menant à des particules Hawking lointaines émises par lui. L'auteur explique que l'esquisse illustre «l'enchevêtrement entre le BH et le rayonnement de Hawking. Nous pensons que cet enchevêtrement conduit à la géométrie interne du trou noir. »

Mais, selon Matt Wisser, mathématicien et expert en relativité générale à l'Université Queen Victoria à Wellington, qui étudie les trous de ver depuis les années 1990, vous n'avez pas besoin de prendre le croquis d'une pieuvre à la lettre. Les trous de ver formés avant les particules de Hawking individuelles seront si minces que les qubits ne les traverseront pas. «Le trou de ver passable n'est transparent que pour les paquets d'ondes plus petits que son rayon», explique Visser. "Les gros paquets de vagues rebondiront simplement sur les petits trous de ver et ne les traverseront pas de l'autre côté."

Stanford, co-auteur d'un travail récent de Muldasena et Young, admet que cela peut être un problème dans l'interprétation la plus simple de l'idée de ER = EPR, dans laquelle chaque particule Hawking a son propre trou de ver tentacule. Cependant, une interprétation plus abstraite de l'idée que lui et ses collègues envisageaient ne souffrait pas de cette faille. "Nous pensons que pour récupérer des informations du rayonnement Hawking à l'aide de trous de ver passables, il est nécessaire de collecter le rayonnement Hawking en un seul endroit et de travailler avec lui de manière assez compliquée." Une telle mesure collective donne des informations sur les particules tombées plus tôt dans le BH; comme il le dit, il a «un grand trou de ver marchable composé de petits tentacules inutiles. Ensuite, les informations sont transmises à travers ce grand trou de ver. » Maldasena a ajouté que, plus simplement, la théorie de la gravité quantique peut avoir une nouvelle idée généralisée de la géométrie, dans laquelle ER est égal à EPR. «Nous pensons que la gravité quantique devrait obéir à ce principe», dit-il. "Nous voyons cela plus comme une ligne directrice pour la théorie."

Dans le livre de vulgarisation scientifique de 1994 Black Holes and the Creases of Time , Kip Thorne admire le raisonnement utilisé dans la recherche sur les trous de ver. «Aucune expérience de pensée ne pèse autant sur les lois de la physique que celles qui sont apparues en raison d'un appel téléphonique de Karl Sagan», écrit-il, «des expériences de pensée posant la question:« Du point de vue des lois de la physique, une civilisation infiniment avancée peut se permettre, et qu'est-ce qui ne peut pas? "