Les secrets du COSMOS.
De nombreuses lois de la physique sont réversibles. Récemment, un groupe de chimistes a mené une expérience que n’importe qui peut reproduire dans sa propre cuisine : faire bouillir un œuf.
À la suite de l’ébullition, les molécules de protéines se tordent et, semble-t-il, ne peuvent pas revenir à leur état d’origine. Pendant ce temps, la centrifugation les déroule et leur donne leur aspect d’origine.
Une expérience aussi élégante démontre la réversibilité des processus physiques qui peuvent se dérouler dans les deux sens, ce qui est à la base des lois de la physique qui reflètent la symétrie de l’espace-temps et la causalité.
Bien sûr, cela peut être fait dans des systèmes simples et pas si facile à reproduire dans des systèmes complexes, mais en principe c’est faisable. Cependant, il existe des exceptions – ce sont des trous noirs résultant de l’effondrement d’étoiles massives.
Un trou noir est un espace-temps fermé, où une gravité monstrueuse brise les objets qui y tombent en particules élémentaires. Il est impossible d’en sortir dès que l’horizon des événements a été dépassé, par conséquent, l’objet, en principe, ne peut pas être restauré, à propos duquel il a été supposé que les trous noirs ne stockent pas d’informations.
Une telle irréversibilité a été décrite pour la première fois par le physicien David Finkelstein en 1958 et a été appelée le paradoxe de l’information, indiquant que les processus physiques peuvent être irréversibles. Ce n’est que maintenant que l’on a compris que malgré la contradiction externe, les trous noirs sont réversibles ; en conséquence, le paradoxe de l’information a été résolu.
Tout le monde n’est pas d’accord avec la solution à ce paradoxe, même selon les partisans, ce travail est au mieux un point de départ pour une nouvelle approche pour expliquer la physique des trous noirs. Le fait est qu’il n’y a toujours pas d’unification de la théorie de la relativité et de la mécanique quantique. Ainsi, la physique des trous noirs est décrite par la théorie de la relativité générale et, jusqu’à présent, les effets de la mécanique quantique n’y ont pas été pris en compte.
Pour la première fois dans les années 70 du siècle dernier, S. Hawking a tenté d’expliquer les phénomènes de mécanique quantique se produisant à la frontière des trous noirs. Il a montré que les trous noirs rayonnent et, par conséquent, rétrécissent et s’évaporent, ramenant leur entropie à zéro.
Ce processus de rayonnement est dû au fait qu’en raison du gradient de courbure de l’espace à la frontière d’un trou noir, les particules virtuelles présentes dans le vide reçoivent de l’énergie et se transforment en particules réelles. Elles naissent par paires. Dans ce cas, une particule recevant de l’énergie peut quitter le trou noir et la seconde y restera. Mais la libération d’énergie ne contient aucune information sur ce qui s’est retrouvé à l’intérieur du trou noir . Le rayonnement sortant aggrave la prévision en réduisant l’entropie et finit par s’en débarrasser.
Une approche clé a été développée par Page et Matura, basée sur la mystérieuse intrication quantique, qui est un type particulier de corrélation entre des particules qui ne sont même pas liées les unes aux autres par des influences.
La plupart des particules qui pénètrent dans le trou noir sont enchevêtrées avec des particules qui restent à l’extérieur du trou noir, et ces connexions sont maintenues.
Dans le même temps, ces connexions ne peuvent pas être directement transférées au rayonnement de S. Hawking.
Il a été constaté que la capacité d’un espace évolue avec la surface plutôt qu’avec le volume qu’il occupe, et bien qu’il semble être en trois dimensions, son impact est en deux dimensions. Cette qualité illusoire devient importante dans un trou noir.
En conséquence, le principe holographique est né, selon lequel au moins une des dimensions n’est pas fondamentale, mais sert de dérivé et découle de la mécanique quantique.
Grâce au principe holographique, tout ce qui est en trois dimensions peut être réduit à une surface en deux dimensions sur laquelle sont enregistrées des informations correspondant à un hologramme en deux dimensions.
Tout comme lorsqu’un hologramme physique est développé, une image tridimensionnelle est obtenue.
Selon la théorie de l’Univers holographique, notre monde tridimensionnel perçu peut être une projection de la surface bidimensionnelle d’un autre Univers, qui contient d’autres lois et phénomènes quantiques.
La physique des trous noirs confirme le principe holographique et prouve que le contenu informationnel d’une région de l’espace n’est pas déterminé par son volume, mais par l’aire qui délimite sa surface. Cela servira peut-être de clé pour construire une théorie plus profonde et plus complète.
Une autre approche a montré qu’un trou noir accumule une quantité si gigantesque de géométrie complexe de l’espace-temps qu’il prend des formes exotiques à la fois à l’intérieur et à l’extérieur du trou noir. Des objets étranges tels que des trous de ver, sorte de couloirs qui relient l’intérieur d’un trou noir avec le monde extérieur, ainsi qu’avec d’autres trous noirs, peuvent apparaître.
Mathur, avec d’autres chercheurs, a fait valoir qu’il était nécessaire d’introduire le principe de non-localité dans la théorie. Selon cet effet, une sorte de sauts dans l’espace se produisent, grâce auxquels des informations sont extraites du trou noir. Bien que les physiciens conviennent que la non-localité doit être prise en compte, mais un type spécifique de non-localité est considéré par les sceptiques comme invraisemblable.
Raju a suggéré que la gravité a une longue queue de la force agissante, ce qui contribue à la diffusion d’informations. De plus, les champs électromagnétiques, gravitationnels et autres à l’extérieur du trou noir portent des empreintes qui y tombent .
Ces dernières années, Leonard Susskind de Stanford a découvert que les trous noirs sont des systèmes chaotiques bouillonnants qui se cachent derrière la courbure de l’espace. Bien sûr, la création de trous noirs est actuellement impossible, mais les expérimentateurs espèrent acquérir des connaissances à leur sujet sur la base de simulations informatiques, ainsi qu’en observant des dynamiques chaotiques dans différents milieux, réalisant la réversibilité des processus étudiés.
Certains théoriciens pensent que les connaissances sur les trous noirs peuvent être transférées à l’ensemble de l’univers.
La physique des trous noirs a déjà conduit au concept d’un univers holographique parallèle, et puisque notre univers se développe rapidement, il a probablement une surface unilatérale correspondant à l’horizon des événements d’un trou noir. Cela laisse espérer que l’étude des trous noirs révélera les secrets du cosmos.
UNE RÉCONCILIATION
L’intersection entre l’univers holographique parallèle (ou principe holographique) et le paradoxe de l’information des trous noirs constitue l’un des domaines les plus fascinants de la physique théorique moderne. Elle tente de réconcilier la mécanique quantique et la relativité générale.
Le problème d’origine : Le paradoxe de l’information
Formulé par Stephen Hawking en 1976, ce paradoxe repose sur une contradiction fondamentale :
- La mécanique quantique affirme que l’information ne peut jamais être détruite (principe d’unitarité). Si l’on connaît l’état exact d’un système, on doit pouvoir théoriquement reconstituer son passé et son futur.
- La relativité générale stipule que tout ce qui passe l’horizon des événements d’un trou noir est piégé à jamais.
Le rayonnement de Hawking : Hawking a démontré que les trous noirs s’évaporent lentement en émettant un rayonnement purement thermique (aléatoire). Si le trou noir disparaît complètement, l’information sur la matière qui y est tombée est définitivement perdue, ce qui viole les lois de la mécanique quantique.
La solution : Le Principe Holographique
Pour résoudre ce paradoxe, les physiciens Gerard ‘t Hooft et Leonard Susskind ont introduit le principe holographique. L’idée centrale est que l’information n’est pas perdue à l’intérieur du trou noir, mais stockée à sa surface.
Une illusion de volume : Tout comme un hologramme en 2D sur une carte de crédit crée l’illusion d’une image en 3D, la physique d’un espace en 3D (le volume du trou noir) peut être entièrement codée sur une surface en 2D (l’horizon des événements).
Densité maximale : La quantité maximale d’information qu’une région de l’espace peut contenir ne dépend pas de son volume, mais de son aire (mesurée en unités de Planck).
La Correspondance AdS/CFT et l’Univers Parallèle
En 1997, le physicien Juan Maldacena a donné une base mathématique rigoureuse à ce principe avec la correspondance AdS/CFT. C’est ici que s’articule l’idée d’un « univers parallèle » ou d’une double description de la réalité :
L’Univers intérieur (AdS) : Un espace-temps à plusieurs dimensions (qui inclut la gravité et les trous noirs).
L’Univers frontière (CFT) : Une frontière mathématique située à l’infini, ayant une dimension de moins, régie uniquement par la physique quantique standard, sans gravité.
Les calculs démontrent que ces deux univers sont mathématiquement équivalents (duaux). Ce qui ressemble à un trou noir détruisant l’information dans l’univers volumique correspond, sur la frontière, à des particules quantiques ordinaires qui se mélangent sans jamais détruire l’information.
Le paradoxe est ainsi résolu : l’information est conservée car elle n’a jamais vraiment « disparu » de la frontière holographique.
L’intrication quantique est devenue la clé de voûte moderne pour résoudre le paradoxe de l’information et comprendre la nature de l’espace-temps holographique. En reliant instantanément des particules séparées par de grandes distances, elle agit comme le « ciment » mathématique et physique qui structure l’univers.
La conjecture ER = EPR : L’intrication crée l’espace-temps
Proposée par Juan Maldacena et Leonard Susskind en 2013, la conjecture ER = EPR établit un pont direct entre la mécanique quantique et la relativité générale :
EPR (Einstein-Podolsky-Rosen) : Représente l’intrication quantique entre deux particules.
ER (Einstein-Rosen) : Représente un trou de ver (un pont géométrique reliant deux points de l’espace-temps).
La conjecture affirme que si deux trous noirs sont maximalement intriqués (EPR), ils sont automatiquement reliés dans l’univers intérieur par un trou de ver (ER).
À plus petite échelle, cela suggère que l’espace-temps lui-même n’est pas un tissu fondamental, mais une illusion macroscopique générée par l’intrication d’innombrables particules quantiques sur la frontière holographique.
Si l’on brisait toute l’intrication de l’univers, l’espace-temps s’effondrerait.
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