L'Univers est un endroit étonnant et étrange rempli de phénomènes inexplicables. Un de ces phénomènes, le paradoxe de l'information sur les trous noirs, semble violer une loi fondamentale de la physique.
L'horizon des événements d'un trou noir est considéré comme la dernière frontière: une fois au-delà, rien ne peut sortir du trou noir, pas même la lumière. Mais cela s'applique-t-il aux informations en tant que telles? Sera-t-elle perdue à jamais dans le trou noir comme tout le reste?
Tout d'abord, nous devons comprendre que le paradoxe informationnel des trous noirs n'est pas lié à la façon dont nous sommes habitués à percevoir l'information. Quand nous pensons aux mots imprimés dans un livre, au nombre de bits et d'octets dans un fichier informatique, ou aux configurations et propriétés quantiques des particules qui composent un système, nous pensons à l'information comme l'ensemble complet de tout ce dont nous avons besoin pour recréer quoi que ce soit à partir de zéro.
Cependant, cette définition traditionnelle de l'information n'est pas une propriété physique directe qui peut être mesurée ou calculée, comme, par exemple, cela peut être fait avec la température. Heureusement pour nous, il existe une propriété physique que nous pouvons définir comme équivalente à l'information: l'entropie. Plutôt que de considérer l'entropie comme une mesure du désordre, il faut la considérer comme l'information «manquante» nécessaire pour déterminer le micro-état spécifique d'un système.
Lorsqu'un trou noir absorbe de la masse, la quantité d'entropie d'une substance est déterminée par ses propriétés physiques. Cependant, à l'intérieur d'un trou noir, seules les propriétés telles que la masse, la charge et le moment cinétique comptent. Pour la préservation de la deuxième loi de la thermodynamique, cela pose un problème sérieux / & copy; NASA / CXC / M. WEISS Lorsqu'un trou noir absorbe de la masse, la quantité d'entropie de la matière est déterminée par ses propriétés physiques. Cependant, à l'intérieur d'un trou noir, seules les propriétés telles que la masse, la charge et le moment cinétique comptent. Cela pose un problème sérieux pour la préservation de la deuxième loi de la thermodynamique.
Il y a certaines règles dans l'univers que l'entropie doit suivre. La deuxième loi de la thermodynamique peut être appelée la plus indestructible de toutes: prenez n'importe quel système, ne laissez rien y entrer ou en sortir - et son entropie ne diminuera jamais soudainement.
Un œuf cassé ne se ramasse pas dans sa coquille, l'eau chaude ne se sépare jamais en parties chaudes et froides, et les cendres ne s'accumulent jamais dans la forme de l'objet qu'elle était avant d'être brûlé. Tout cela serait un exemple d'entropie décroissante, et évidemment rien de tel ne se produit dans la nature par lui-même. L'entropie peut rester la même et augmenter dans la plupart des circonstances, mais elle ne peut jamais revenir à un état inférieur.
La seule façon de réduire artificiellement l'entropie est d'introduire de l'énergie dans le système, «trompant» ainsi la deuxième loi de la thermodynamique, augmentant l'entropie externe à ce système d'une valeur plus grande qu'elle ne diminue dans ce système. Le nettoyage de la maison est un excellent exemple. En d'autres termes, vous ne pouvez pas vous débarrasser de l'entropie.
Vidéo promotionelle:
Alors que se passe-t-il quand un trou noir se nourrit de matière? Imaginons que nous jetions un livre dans un trou noir. Les seules propriétés que nous pouvons attribuer à un trou noir sont plutôt banales: masse, charge et moment cinétique. Le livre contient des informations, mais lorsque vous le jetez dans un trou noir, cela ne fait qu'augmenter sa masse. Au départ, lorsque les scientifiques ont commencé à étudier ce problème, on pensait que l'entropie d'un trou noir était nulle. Mais si tel était le cas, introduire quelque chose dans un trou noir violerait toujours la deuxième loi de la thermodynamique. Ce qui, bien sûr, est impossible.
La masse d'un trou noir est le seul facteur déterminant du rayon de l'horizon des événements pour un trou noir isolé non rotatif. Pendant longtemps, on a cru que les trous noirs étaient des objets statiques dans l'espace-temps de l'univers.
Mais comment calculer l'entropie d'un trou noir?
Cette idée remonte à John Wheeler, en pensant à ce qui arrive à un objet lorsqu'il tombe dans un trou noir du point de vue d'un observateur éloigné de l'horizon des événements. De loin, il nous semblerait qu'une personne tombant dans un trou noir s'approche asymptotiquement de l'horizon des événements, rougissant de plus en plus du fait du redshift gravitationnel et se déplaçant infiniment longtemps vers l'horizon sous l'effet de la dilatation relativiste du temps. Ainsi, les informations de quelque chose tombé dans un trou noir resteraient «cryptées» à sa surface.
Cela résout le problème avec élégance et semble raisonnable. Quand quelque chose tombe dans un trou noir, sa masse augmente. Avec l'augmentation de la masse, son rayon augmente également, et donc la surface. Plus la surface est grande, plus les informations peuvent être cryptées.
Cela signifie que l'entropie d'un trou noir n'est pas du tout nulle, mais au contraire - énorme. Malgré le fait que l'horizon des événements est relativement petit par rapport à la taille de l'univers, la quantité d'espace nécessaire pour enregistrer un bit quantique est petite, ce qui signifie que des quantités incroyables d'informations peuvent être enregistrées à la surface d'un trou noir. L'entropie augmente, l'information est préservée et les lois de la thermodynamique sont préservées. Vous pouvez vous disperser, non?
Des bits d'information proportionnels à la surface de l'horizon des événements peuvent être codés sur la surface d'un trou noir.
Pas vraiment. Le fait est que si les trous noirs ont une entropie, ils doivent également avoir de la température. Comme pour tout autre objet avec température, le rayonnement doit provenir d'eux.
Comme l'a démontré Stephen Hawking, les trous noirs émettent des rayonnements dans un spectre spécifique (le spectre d'un corps noir) et à une température spécifique, déterminée par la masse du trou noir. Au fil du temps, ce rayonnement d'énergie entraîne la perte de sa masse par le trou noir, selon la célèbre équation d'Einstein: E = mc ^ 2. Si de l'énergie est émise, elle doit venir de quelque part, et ce «quelque part» doit être le trou noir lui-même. Au fil du temps, le trou noir perdra sa masse de plus en plus vite, et à un moment donné - dans un avenir lointain - il s'évaporera complètement dans un éclair de lumière.
Mais si un trou noir s'évapore dans le rayonnement du corps noir, déterminé uniquement par sa masse, qu'arrive-t-il à toutes les informations et à l'entropie enregistrées sur son horizon d'événements? Après tout, vous ne pouvez pas simplement détruire ces informations?
C'est la racine du paradoxe de l'information du trou noir. Le trou noir doit avoir une entropie élevée, qui comprend toutes les informations sur ce qui l'a créé. Les informations sur la chute d'objets sont enregistrées à la surface de l'horizon des événements. Mais lorsqu'un trou noir se désintègre sous l'effet du rayonnement Hawking, l'horizon des événements disparaît, ne laissant que le rayonnement. Ce rayonnement, comme le suggèrent les scientifiques, ne dépend que de la masse du trou noir.
Imaginez que nous ayons deux livres - sur le non-sens absolu et "Le Comte de Monte Cristo" - contenant des quantités d'informations différentes, mais identiques en masse. Nous les jetons dans des trous noirs identiques, à partir desquels nous nous attendons à recevoir un rayonnement Hawking équivalent. Pour un observateur extérieur, tout ressemble à une information détruite, et étant donné ce que nous savons sur l'entropie, c'est impossible, car cela violerait la deuxième loi de la thermodynamique.
Si nous brûlons ces deux livres de même taille, les variations de la structure moléculaire, l'ordre des lettres sur le papier et d'autres différences mineures contiendraient des informations qui pourraient nous aider à reconstruire les informations dans les livres. C'est peut-être un désordre complet, mais cela n'ira nulle part tout seul. Néanmoins, le paradoxe informationnel des trous noirs est un réel problème. Une fois le trou noir évaporé, aucune trace de cette information primordiale ne reste dans l'univers observable.
La désintégration simulée d'un trou noir conduit non seulement à l'émission de rayonnement, mais aussi à la désintégration de la masse rotative centrale qui maintient la plupart des objets stables. Les trous noirs sont des objets non statiques qui changent avec le temps. Cependant, sur les horizons des événements, les trous noirs formés à partir de matériaux différents devraient conserver des informations différentes.
Il n'y a peut-être pas encore de solution à ce paradoxe et cela pose un sérieux problème pour la physique. Néanmoins, il existe deux options pour sa solution possible:
1. L'information est complètement détruite lors de l'évaporation d'un trou noir, ce qui signifie que de nouvelles lois physiques sont associées à ce processus.
2. Le rayonnement émis contient en quelque sorte cette information, par conséquent, le rayonnement de Hawking est quelque chose de plus que ce que la science sait.
La plupart des personnes travaillant sur ce problème croient qu'il doit y avoir un moyen par lequel les informations stockées à la surface d'un trou noir sont «imprimées» dans le rayonnement sortant. Cependant, personne ne sait exactement comment cela se produit. Peut-être que les informations sur la surface du trou noir introduisent des corrections quantiques à l'état exclusivement thermique du rayonnement de Hawking? Peut-être, mais cela n'a pas encore été prouvé. Aujourd'hui, il existe de nombreuses solutions hypothétiques à ce paradoxe, mais aucune n'a encore été confirmée.
Le paradoxe informationnel des trous noirs ne dépend pas de savoir si la nature de l'univers quantique est déterministe ou non déterministe, quelle interprétation quantique vous préférez, s'il existe des variables cachées et de nombreux autres aspects de la nature de la réalité. Et bien que bon nombre des solutions proposées incluent le principe holographique, on ne sait pas encore s'il joue un rôle dans la solution finale du paradoxe.
Vladimir Guillen
