Newfound Wormhole Permet aux Informations d’échapper aux Trous Noirs

En 1985, lorsque Carl Sagan écrivait le roman Contact, il devait rapidement transporter son protagoniste, le Dr Ellie Arroway, de la Terre à l’étoile Vega. Il l’a fait entrer dans un trou noir et en sortir à des années-lumière, mais il ne savait pas si cela avait un sens. L’astrophysicien et star de la télévision de l’Université Cornell a consulté son ami Kip Thorne, expert des trous noirs au California Institute of Technology (qui a remporté un prix Nobel plus tôt ce mois-ci). Thorne savait qu’Arroway ne pouvait pas se rendre à Vega via un trou noir, qui est censé piéger et détruire tout ce qui tombe dedans. Mais il lui est venu à l’esprit qu’elle pourrait utiliser un autre type de trou conforme à la théorie générale de la relativité d’Albert Einstein: un tunnel ou « trou de ver” reliant des endroits éloignés dans l’espace-temps.

Alors que les trous de ver théoriques les plus simples s’effondrent et disparaissent immédiatement avant que quoi que ce soit puisse passer, Thorne s’est demandé s’il serait possible pour une civilisation de science-fiction « infiniment avancée” de stabiliser un trou de ver assez longtemps pour que quelque chose ou quelqu’un le traverse. Il a compris qu’une telle civilisation pouvait en fait tapisser la gorge d’un trou de ver de « matériel exotique” qui contrecarre sa tendance à l’effondrement. Le matériau posséderait une énergie négative, qui dévierait le rayonnement et repousserait l’espace-temps en dehors de lui-même. Sagan a utilisé l’astuce au contact, attribuant l’invention du matériau exotique à une civilisation antérieure et perdue pour éviter d’entrer dans les détails. Pendant ce temps, ces détails ont captivé Thorne, ses étudiants et de nombreux autres physiciens, qui ont passé des années à explorer les trous de ver traversables et leurs implications théoriques. Ils ont découvert que ces trous de ver peuvent servir de machines à voyager dans le temps, invoquant des paradoxes du voyage dans le temps – preuve que les matériaux exotiques sont interdits dans la nature.

Maintenant, des décennies plus tard, une nouvelle espèce de trou de ver traversable est apparue, exempte de matière exotique et pleine de potentiel pour aider les physiciens à résoudre un paradoxe déroutant sur les trous noirs. Ce paradoxe est le problème même qui a tourmenté le premier projet de contact et a conduit Thorne à envisager des trous de ver traversables en premier lieu; à savoir que les choses qui tombent dans des trous noirs semblent disparaître sans laisser de trace. Cet effacement total de l’information enfreint les règles de la mécanique quantique, et cela intrigue tellement les experts que ces dernières années, certains ont soutenu que les intérieurs de trous noirs n’existaient pas vraiment — que l’espace et le temps se terminaient étrangement à leurs horizons.

La vague de découvertes a commencé l’année dernière avec un article qui rapportait le premier trou de ver traversable qui ne nécessite pas l’insertion de matériel exotique pour rester ouvert. Au lieu de cela, selon Ping Gao et Daniel Jafferis de l’Université Harvard et Aron Wall de l’Université de Stanford, l’énergie négative répulsive dans la gorge du trou de ver peut être générée de l’extérieur par une connexion quantique spéciale entre la paire de trous noirs qui forment les deux bouches du trou de ver. Lorsque les trous noirs sont connectés de la bonne manière, quelque chose jeté dans l’un d’eux va scintiller le long du trou de ver et, à la suite de certains événements dans l’univers extérieur, sortir du second. Remarquablement, Gao, Jafferis et Wall ont remarqué que leur scénario est mathématiquement équivalent à un processus appelé téléportation quantique, qui est la clé de la cryptographie quantique et peut être démontré dans des expériences de laboratoire.

John Preskill, spécialiste des trous noirs et de la gravité quantique à Caltech, déclare que le nouveau trou de ver traversable est une surprise, avec des implications pour le paradoxe de l’information sur les trous noirs et les intérieurs des trous noirs. ”Ce que j’aime vraiment, dit-il, c’est qu’une observatrice puisse entrer dans le trou noir puis s’échapper pour raconter ce qu’elle a vu. »Cela suggère que les intérieurs de trous noirs existent vraiment, a-t-il expliqué, et que ce qui entre doit sortir.

Une équation énigmatique

Le nouveau travail sur le trou de ver a commencé en 2013, lorsque Jafferis a assisté à une conférence intrigante à la conférence Strings en Corée du Sud. L’orateur, Juan Maldacena, professeur de physique à l’Institute for Advanced Study de Princeton, dans le New Jersey, avait récemment conclu, sur la base de divers indices et arguments, que « ER = EPR. »C’est-à-dire que les trous de ver entre des points éloignés de l’espace-temps, dont les plus simples sont appelés ponts Einstein-Rosen ou « ER”, sont équivalents (bien que d’une manière mal définie) aux particules quantiques enchevêtrées, également connues sous le nom de paires Einstein-Podolsky-Rosen ou « EPR”. La conjecture ER = EPR, posée par Maldacena et Leonard Susskind de Stanford, était une tentative de résoudre l’incarnation moderne du fameux paradoxe de l’information sur les trous noirs en liant la géométrie spatio-temporelle, régie par la relativité générale, aux connexions quantiques instantanées entre particules éloignées qu’Einstein appelait « action effrayante à distance. »

Le paradoxe se profile depuis 1974, lorsque le physicien britannique Stephen Hawking a déterminé que les trous noirs s’évaporent – dégageant lentement de la chaleur sous forme de particules maintenant connues sous le nom de « rayonnement de Hawking. »Hawking a calculé que cette chaleur est complètement aléatoire; elle ne contient aucune information sur le contenu du trou noir. Comme le trou noir clignote hors de l’existence, il en va de même pour l’enregistrement de l’univers de tout ce qui est entré à l’intérieur. Cela viole un principe appelé « unité », l’épine dorsale de la théorie quantique, qui soutient que lorsque les particules interagissent, les informations les concernant ne sont jamais perdues, seulement brouillées, de sorte que si vous inversiez la flèche du temps dans l’évolution quantique de l’univers, vous verriez les choses se déchiffrer en une recréation exacte du passé.

Presque tout le monde croit en l’unitarité, ce qui signifie que l’information doit échapper aux trous noirs — mais comment? Au cours des cinq dernières années, certains théoriciens, notamment Joseph Polchinski de l’Université de Californie à Santa Barbara, ont soutenu que les trous noirs sont des coquilles vides sans intérieur du tout — qu’Ellie Arroway, en frappant l’horizon des événements d’un trou noir, s’effondrerait sur un « pare-feu” et rayonnerait à nouveau.

De nombreux théoriciens croient aux intérieurs de trous noirs (et aux transitions plus douces à travers leurs horizons), mais pour les comprendre, ils doivent découvrir le sort de l’information qui tombe à l’intérieur. Ceci est essentiel à la construction d’une théorie quantique de la gravité, l’union tant recherchée des descriptions quantiques et spatio-temporelles de la nature qui apparaît le plus en relief dans les intérieurs de trous noirs, où la gravité extrême agit à l’échelle quantique.

La connexion de gravité quantique est ce qui a attiré Maldacena, et plus tard Jafferis, à l’idée ER = EPR, et aux trous de ver. La relation implicite entre les tunnels dans l’espace-temps et l’intrication quantique posée par ER = EPR a résonné avec une croyance populaire récente selon laquelle l’espace est essentiellement cousu dans l’existence par l’intrication quantique. Il semblait que les trous de ver avaient un rôle à jouer en assemblant l’espace-temps et en laissant l’information sur les trous noirs sortir des trous noirs — mais comment cela pourrait-il fonctionner? Lorsque Jafferis a entendu Maldacena parler de son équation cryptique et des preuves à l’appui, il était conscient qu’un trou de ver ER standard est instable et non traversable. Mais il se demandait ce que la dualité de Maldacena signifierait pour un trou de ver traversable comme ceux avec lesquels Thorne et d’autres jouaient il y a des décennies. Trois ans après le discours sur la Corée du Sud, Jafferis et ses collaborateurs Gao et Wall ont présenté leur réponse. Le travail étend l’idée ER = EPR en assimilant, non pas un trou de ver standard et une paire de particules enchevêtrées, mais un trou de ver traversable et une téléportation quantique: un protocole découvert en 1993 qui permet à un système quantique de disparaître et de réapparaître indemne ailleurs.

Lorsque Maldacena a lu le papier de Gao, Jafferis et Wall, « Je l’ai vu comme une très belle idée, une de ces idées qui, après que quelqu’un vous l’a dit, est évidente”, a-t-il déclaré. Maldacena et deux collaborateurs, Douglas Stanford et Zhenbin Yang, ont immédiatement commencé à explorer les ramifications du nouveau trou de ver pour le paradoxe de l’information sur les trous noirs; leur article est paru en avril. Susskind et Ying Zhao de Stanford ont suivi cela avec un article sur la téléportation du trou de ver en juillet. Le trou de ver « donne une image géométrique intéressante de la façon dont se produit la téléportation”, a déclaré Maldacena. « Le message passe en fait par le trou de ver.”

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