Les trous noirs sont toujours restés simples dans notre imagination.
Il fut un temps où, en utilisant les règles de la théorie générale de la relativité, on pouvait imaginer une singularité infinie et dense. Il était entouré d'une zone gravitationnelle d'où il était impossible de s'échapper et s'appelait «l'horizon des événements». Ces composants, ainsi que plusieurs détails supplémentaires, constituaient la description de base de l'anatomie d'un trou noir.
Le manuel est écrit très clairement à ce sujet: rien, pas même un rayon de lumière ne peut percer le vice gravitationnel de l'horizon des événements de l'objet. C'est juste un aller simple. Si un astronaute est trop proche de l'horizon de l'événement, il sera traîné à l'intérieur. Et il devra tomber jusqu'à la mort en s'attendant à des conséquences terribles de la spaghettification.
Bien que ce soit une forme simplifiée, elle a servi d’explication assez convenable de ce qui se passe dans le trou noir. Mais dans les années 1970, le gourou britannique de la physique théorique, Stephen Hawking, exposa sa théorie principale sur l'évaporation des trous noirs. Et à l’époque des temps modernes, Hawking pensait que les manuels scolaires étaient faux, ce qui nous amène à l’idée que les Noirs ressemblent à des rues à sens unique.
problème de rayonnement de Hawking
La complexité du fait que les trous noirs peuvent s'évaporer est une conséquence de l'étrangeté du monde quantique inexploré. Les théoriciens quantiques suggèrent que dans l’espace vide une paire de «particules virtuelles» saute constamment hors de l’espace et y retourne. Ainsi, il s'avère que le «vrai vide» n'est jamais vide. En fait, il est rempli de paires de particules quantiques nées dans le monde, puis annihilées dans un intervalle de temps infime. Habituellement, un tel processus se déroule sans accroc et sans accroc: les particules proviennent du vide, puis elles s'annulent avec leur partenaire et l'Univers fait ses propres affaires. Mais si vous ajoutez un trou noir au mélange, alors tout ce qui vous entoure acquiert les caractéristiques de la folie.
Comme nous l'avons mentionné ci-dessus, l'horizon des événements dans un trou noir devient un point sans retour. Alors que se passera-t-il quand une paire de particules virtuelles montera dans l’existence générale à l’horizon et que l’une d’entre elles tombera à l’intérieur? Eh bien, la deuxième «particule virtuelle», qui a perdu son partenaire d’annihilation, est littéralement chassée du trou noir et devient la catégorie «réalité». En train de devenir une «réalité», cette particule prend une partie de la masse du trou noir (la mécanique quantique n'a jamais prétendu transmettre un sens logique). À cause de ce processus, qui fait constamment rage à l'horizon des événements, le trou noir commence à perdre de la masse physique. C'est ce que l'évaporation de rayonnement de Hawking est.
Jusqu'ici, je n'ai fait que réchauffer votre appétit pour les bizarreries de la théorie quantique des champs, et ce ne sera alors que plus étrange. Mais nous devons d’abord aborder quelques informations supplémentaires.
La théorie générale de la relativité et la théorie des champs quantiques se jouent entre elles par les règles. Les deux domaines de la physique traitent des descriptions fondamentales de l'espace, du temps et de la matière aux niveaux micro (quantique) et macro (cosmologique). Ils sont situés sur les côtés opposés de la balance. Et après la récente découverte du boson de Higgs, le «livre de recettes» quantique appelé le modèle standard a encore une fois contribué à prouver qu'il s'agissait d'une description précise du fonctionnement de notre univers.
Le modèle standard semble avoir un problème fondamental avec la gravité. Jusqu'à présent, les physiciens n'ont pas été en mesure de trouver une particule qui exerce une influence gravitationnelle (le nom hypothétique est «graviton»). Et malgré tous leurs efforts, il semble qu’il n’existe toujours aucun moyen de résoudre ce casse-tête. Et ces dernières années, les trous noirs sont devenus un autre champ de bataille entre la théorie générale de la relativité et la théorie des champs quantiques.
Antithèse de «pas de drame»
Lorsque la matière (et donc les «informations») pénètre dans l’espace d’un trou noir, elle est retirée des limites connues de l’Univers et est effectivement détruite. C'est un problème. La théorie générale de la relativité se soucie peu des informations que possède la matière. Mais la théorie quantique, par contre, est trop intéressée par cette information et estime qu’elle ne peut pas être «effacée».
En 2004, un événement célèbre s'est produit lorsque Hawking a admis sa défaite dans un différend avec le physicien théoricien John Presquil. Il a confirmé que les informations "perdues" dans un trou noir sont codées en radiation de Hawking (il a d'abord affirmé que les trous noirs détruisaient l'information, et que l'information en radiation est un nouveau code qui ne concerne pas un objet entrant dans le trou).
Mais cette solution rapide a créé un autre problème. En 2012, un groupe de physiciens dirigé par Joseph Polchinski de l'Université de Californie à Santa Barbara s'est rendu compte que, pour stocker des informations dans le rayonnement de Hawking, il faudrait un «pare-feu» à forte énergie quantique capable de tout faire sortir du spectre des événements.
En se souvenant de notre malheureux cosmonaute entré dans l’horizon d’un trou noir, il ne découvrira rien à la théorie générale de la relativité pendant qu’il dérive dans cette région (bien sûr, si ce n’était pas Matthew McConaughey qui verrait des lumières brillantes). Naturellement, à la fin, l'astronaute se cassera en petits morceaux, mais il sera brûlé. Une telle expérience de pensée s'appelle le postulat «pas de drame».
Mais tout change l'impasse du pare-feu. Il viole simplement les lois du drame et crée exactement le contraire. Autrement dit, cela viole complètement la théorie générale de la relativité et la théorie qui contrôle le trou noir avec lequel nous avons commencé.
Alors maintenant, les physiciens doivent se battre avec les équations et essayer de résoudre le «paradoxe de l'information». C’est ce que les plus grands esprits ont fait au cours des dernières décennies. Stephen Hawking lui-même ne quitte même pas ce débat. Par exemple, l’année dernière, il a envisagé la possibilité de remplacer sa théorie par un concept théorique appelé «horizon apparent» plutôt que par certaines limites. Peut-être ce concept doit-il être amélioré et en fait, cet horizon modifie sa formation en réponse aux fluctuations quantiques à l'intérieur d'un trou noir. Cela crée un désordre chaotique dans l'information au-delà de l'horizon apparent, qui ne viole ni les lois de la dynamique quantique, ni la théorie générale de la relativité.
"Ainsi, en tant que prévision du temps sur Terre, des informations seront effectivement perdues s'il n'y a pas de perte d'unité", a écrit Hawking dans un article. Cela signifie que, bien que l'information puisse être libérée du trou noir, son caractère aléatoire ne peut pas être interprété sans résoudre le problème du pare-feu.
Inutile de dire que ce n'est pas la fin du débat entre pairs de Hawking.
Et maintenant, Hawking, qui a fait la une à l'Institut royal de technologie de Stockholm le 24 août, a donné son explication exquise lors d'une conférence publique. Il m'a dit qu'il réfléchissait au traitement du fil par des informations dans des trous noirs.
"Je pense que cette information n'est pas stockée au milieu d'un trou noir, comme on pourrait le penser, mais à sa frontière, dans l'horizon des événements", a-t-il déclaré lors de la conférence.
Le scientifique a expliqué en détail que les informations sont stockées sur des objets qui tombent dans un trou noir et sont converties en hologrammes bidimensionnels, après quoi ils sont capturés dans le rayonnement de Hawking et retirés du trou noir. Mais il n’ya pas de romance là-dedans, car il ne ressemble pas à un disque dur d’ordinateur ultra-avancé. Au lieu de cela, c’est un vrai désordre chaotique.
«Je pense que les trous noirs ne sont pas du tout de la même couleur que celle décrite», a-t-il expliqué. - «Ils ne constituent pas une prison éternelle, comme on le pensait auparavant. Les choses peuvent aller du trou à l'univers externe ou à d'autres univers. " Nous attendons les documents que Hawking et son personnel ont l'intention de publier dans quelques semaines afin de comprendre ce qu'il entendait par le mot "autres" univers. Mais il y a des hypothèses qui montrent clairement que les trous peuvent servir de porte à des mondes parallèles, voire à des univers complets.
Télescope Horizon d'événement
À l'heure actuelle, Hawking a peut-être formulé une «sortie de secours» pour obtenir des informations d'un sujet tombé dans un trou noir. Mais nous ne serons pas en mesure de connaître avec précision le processus avant d’avoir étudié en profondeur la nature de ces objets.
Les astronomes du télescope Event Horizon sont sur le point de voir le noyau profond de notre galaxie. Ils peuvent voir le disque de lumière projeté qui entoure le trou noir supermassif de la Voie lactée, le Sagittaire A, situé à une distance de 20 000 années-lumière.
«Depuis de nombreuses années, Hawking tente de trouver des solutions au paradoxe de l’information: soit en l’accordant de manière à ce que la théorie quantique des champs se combine avec la théorie générale de la relativité, soit en changeant la manière de visualiser un trou noir», écrit Dimitrios Psaltis, professeur d’astronomie et de physique à l’University of Arizona. . "Si tout fonctionne avec la deuxième option, le télescope Event Horizon sera en mesure de voir une vue unique."
Le travail de Hawking peut proposer de nouvelles idées de pointe et donner l'occasion d'examiner certains aspects du paradoxe de l'information.
