Les physiciens théoriques Stephen Hawking, Malcolm Perry et Andrew Strominger ont proposé une solution au paradoxe de la perte d'informations dans les trous noirs. Ce problème est considéré par de nombreux scientifiques comme l'un des plus importants en physique, car il est associé au déterminisme du monde - comment le passé, le présent et le futur s'influencent mutuellement. "Lenta.ru" raconte les détails de l'étude.
L'essence du problème du paradoxe informationnel des trous noirs est la suivante. Selon la version la plus simple du théorème sans cheveux, les trous noirs non chargés et non rotatifs décrits dans l'espace-temps de Schwarzschild sont caractérisés par un seul paramètre - la masse. Le mot «cheveux» dans ce cas est utilisé comme métaphore pour d'autres paramètres et a été proposé par le physicien John Wheeler.
Le paradoxe signifie qu'il n'y a aucun moyen de distinguer les trous noirs de masses égales les uns des autres. La matière qui pénètre dans le trou noir s'évapore par la suite en raison du rayonnement Hawking, et on ne sait pas ce qu'il advient des informations qu'elle transportait auparavant. Dans un sens large, cela peut signifier, comme Strominger l'a souligné dans une interview avec l'éditeur Seth Fletcher pour Scientific American, le monde est indéterminé: le présent ne définit pas l'avenir et ne peut pas être utilisé pour reconstruire complètement le passé.
Hawking a annoncé la nouvelle découverte pour la première fois le 25 août 2015, lors d'une conférence au Royal Institute of Technology de Stockholm. Puis il a intrigué la communauté scientifique avec un article à venir consacré à la résolution du paradoxe du trou noir. "Les informations ne sont pas stockées à l'intérieur, comme on pourrait s'y attendre, mais à l'horizon des événements d'un trou noir", a déclaré le scientifique à l'époque. Il a également mentionné les super-émissions utilisées par les auteurs dans le travail (plus de détails ci-dessous), dont Strominger a inspiré Hawking à écrire l'article. "L'idée est que les super émissions sont un hologramme de particules qui tombent", a déclaré Hawking. "Ils contiennent toutes les informations qui auraient autrement pu être perdues." Le scientifique a également parlé des perspectives d'utilisation des informations provenant des trous noirs. «À toutes fins pratiques, les informations sont perdues», a déclaré Hawking. Selon lui,les trous noirs renvoient des informations sous une «forme chaotique et inutile».
Dans sa conférence la veille, le 24 août, Hawking parlait des trous noirs comme des tunnels vers d'autres univers. «Si un trou noir est assez grand et tourne, il pourrait être un pont vers un autre univers. Mais après l'avoir traversé, vous ne reviendrez pas au nôtre », a déclaré le physicien. Hawking a présenté ses idées lors de la conférence du 3 septembre dans une pré-impression sur le site Web arXiv.org. Le travail de Hawking lui-même, co-écrit avec Perry et Strominger, y a été publié le 5 janvier 2016.
Malcolm Perry, Andrew Strominger et Stephen Hawking (de gauche à droite)
Photo: Anna N. Zytkow / scientificamerican.com
Auparavant (depuis le milieu des années 1970), Hawking pensait que les informations ne sont pas stockées dans des trous noirs. Sur cette question, en 1997, lui et Kip Thorne ont conclu un pari avec le physicien théoricien américain John Preskill. La vision de Hawking du paradoxe de l'information sur les trous noirs a changé avec les progrès de la théorie des cordes.
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En 1996, dans le cadre de la théorie des cordes, Strominger et Kumrun Wafa ont démontré la dérivation d'une expression pour l'entropie des trous noirs, obtenue pour la première fois thermodynamiquement par le physicien israélien Jacob Bekenstein en 1973. Leur conclusion indique que l'évaporation des trous noirs préserve l'unitarité de la mécanique quantique (associée à une interprétation cohérente de la probabilité), que Hawking avait précédemment mise en doute.
Dans un travail publié en 2005, le scientifique britannique a tenté d'expliquer qualitativement la conservation de l'information dans un trou noir en utilisant la technique intégrale fonctionnelle prise sur un espace à topologie triviale. Les mêmes résultats découlent de l'idée de la correspondance AdS / CFT proposée en 1998 par Juan Maldacena dans le cadre de la théorie des cordes. Il est à son tour basé sur le principe holographique proposé en 1993 par le physicien théoricien néerlandais Gerard t'Hooft (ce scientifique a publié une pré-impression le 5 septembre 2015 avec une manière alternative de stocker des informations par un trou noir).
Dans les nouveaux travaux, les scientifiques s'appuient sur la recherche des années 1960. Puis les physiciens Steven Weinberg et d'autres ont proposé le concept de super traductions (il ne faut pas les confondre avec le terme du même nom utilisé en super mathématiques). De plus, les auteurs ont utilisé les résultats de Strominger et de ses co-auteurs, d'où il ressort que le trou noir a des poils dits doux. Strominger a utilisé des photons mous connus de l'électrodynamique quantique - quanta de rayonnement électromagnétique de grandes longueurs d'onde utilisés dans les renormalisations (procédures pour éliminer les divergences dans la théorie quantique des champs). De telles particules ont une faible énergie et, lors de la description de l'état de vide (avec l'énergie la plus faible), conduisent à l'apparition d'un nouvel état quantique caractérisé par un moment angulaire (puisqu'un photon en a un).
Strominger s'est intéressé à la question de savoir si l'état quantique initial du système serait différent du suivant si nous définissions la longueur d'onde du photon pour être infinie (c'est-à-dire pour compter son énergie comme zéro). Les calculs ont montré que l'état quantique du système changera dans ce cas. Des gravitons doux et des photons dans la limite de la longueur d'onde infinie existent aux limites de l'espace-temps. Appliqué aux trous noirs, il s'avère que les particules molles sont localisées sur l'horizon des événements - un hologramme tridimensionnel d'un trou spatio-temporel à quatre dimensions.
Lorsqu'ils parlent de super émissions, les scientifiques parlent de transformations de faisceaux lumineux identiques qui existent à l'horizon des événements du trou noir. Dans les années 1960, des super traductions étaient utilisées pour décrire les rayons de lumière à l'infini dans l'espace-temps, plutôt que l'horizon des événements des trous noirs. Strominger a expliqué l'idée de la super diffusion en utilisant l'exemple d'une collection de pailles infiniment longues et identiques. Si l'un d'eux est déplacé vers le haut ou vers le bas par rapport aux autres, un tel mouvement peut-il être considéré comme réel? Les recherches des scientifiques ont donné une réponse positive à cette question.
Gerard t'Hooft et Stephen Hawking
Photo: Håkan Lindgren / kth.se
«Si vous comparez deux trous noirs qui ne diffèrent que par l'ajout d'un photon doux qui ne change pas d'énergie, vous obtenez des trous noirs différents. Et puis vous les laissez s'évaporer. Dans ce cas, ils doivent s'évaporer en quelque chose de différent les uns des autres. Nous donnons la formule exacte, qui est l'un des principaux résultats de notre travail, décrivant les différences dans l'état quantique d'un trou noir, auquel un photon mou a été ou n'a pas été ajouté », a déclaré Strominger à Scientific American.
Le physicien a noté qu'au cours de l'étude, il a pu formuler 35 problèmes prometteurs, dont la solution de chacun peut prendre jusqu'à plusieurs mois. «Si nous avons tous les ingrédients pour comprendre la dynamique quantique des trous noirs, cela permet de compter le nombre de pixels holographiques», dit-il. Dans le futur, Strominger et ses co-auteurs vont étudier non pas des super-traductions, mais des super-rotations. En utilisant l'analogie avec des pailles identiques infiniment longues, on peut dire que dans ce cas ces dernières échangent des places l'une avec l'autre (une paille tourne autour de l'autre).
«Ils (super-rotations) sont un autre type de symétrie à l'infini, où vous ne faites pas que déplacer les rayons lumineux de haut en bas, mais vous leur permettez de se déplacer les uns par rapport aux autres», a déclaré Strominger. Les scientifiques ont commencé à étudier ces transformations il y a une dizaine d'années et les progrès dans leur compréhension n'ont été accomplis qu'au cours des deux dernières années. Hawking, qui a célébré son 74e anniversaire le 8 janvier, présentera sa vision de son nouveau travail dans des conférences qui seront diffusées les 26 janvier et 2 février par BBC Radio 4.
Andrey Borisov
