Trous noirs et hologramme

Les trous noirs ne sont pas des tueurs impitoyables mais des générateurs d’hologrammes bienveillants.

Trous noirs

Le concept de cet artiste illustre un trou noir supermassif avec des millions de milliards de fois la masse de notre soleil. Les trous noirs supermassifs sont des objets extrêmement denses enfouis au cœur des galaxies. Des trous noirs plus petits existent aussi dans toutes les galaxies. Credit: NASA/JPL-Caltech

 Les trous noirs sont-ils tueurs impitoyables que nous avons envisagé? Samir Mathur dit que non. Selon ce professeur de physique à l’Ohio State University, l’idée récemment proposée que les trous noirs ont des « firewalls » qui détruise tout ce qu’ils touchent a une faille.

Dans un article posté en ligne sur le arXiv preprint server, Mathur est en désaccord avec la théorie du « pare-feu », il prouve mathématiquement que les trous noirs ne sont pas nécessairement des arbites de malheur.

En fait, il dit que le monde pourrait être capturé par un trou noir et que nous ne le remarquerions même pas.

Il y a plus de dix ans, Mathur a utilisé les principes de la théorie des cordes pour montrer que les trous noirs sont en réalité balles de cordes cosmiques enchevêtrées. Sa théorie des « fuzzball » a aidé à résoudre certaines contradictions dans la manière dont les physiciens pensaient les trous noirs.

Mais quand un groupe de chercheurs a récemment essayé de travailler sur la théorie de Mathur, ils ont conclu que la surface de la « balle de duvet » était en fait un pare-feu.

Selon la théorie du pare-feu, la surface de la « fuzzball » est mortelle. En fait, l’idée est nommée la théorie du firewall car elle suggère qu’une très littérale mort ardente attend tout ce qui le touche.

Mathur et son équipe ont eux-aussi étendu leur théorie Fuzzball, et ils sont arrivés à une conclusion complètement différente. Ils ne voient pas les trous noirs comme des tueurs, mais plutôt comme des photocopieurs bénin.

Ils pensent que lorsque la matière touche la surface d’un trou noir, elle devient un hologramme, une copie presque parfaite d’elle-même qui continue d’exister tout comme avant.

« Presque parfait » est la pomme de discorde. Il y a une hypothèse en physique nommée « Complémentarité« . Elle a été proposée pour la première fois en 1993 par le physicien de Stanford University: Leonard Susskind. La Complémentarité exige que tout hologramme créé par un trou noir soit la copie parfaite de l’original. Mathématiquement, les physiciens des deux parties de ce débat « fuzzball-firewall » ont conclu que la stricte complémentarité n’était pas possible; ce qui veut dire qu’un hologramme parfait ne peut pas se former sur la surface d’un trou noir.

Mathur et ses collègues sont à l’aise avec cette idée, parce qu’ils ont développé un modèle modifié de la complémentarité, dans lequel ils supposent qu’ un hologramme imparfait se forme? Ce travail a été réalisé avec l’ancien chercheur post doctoral de l’ Ohio State University David Thurton qui est maintenant à l’Institut de Physique Théorique au centre de recherche du CEA-Saclay en France.

Les partisans de la théorie de pare-feu ont une approche tout-ou-rien de la complémentarité. Sans la perfection, disent-ils, il ne peut y avoir que la mort de feu.

Avec son tout dernier article, Mathur rétorque que lui et ses collègues ont maintenant prouvé mathématiquement que la complémentarité modifiée est possible.

Ce n’est pas que les partisans du « firewall » ont commis quelques sortes d’erreur de calcul, ajoute-t’il. Les deux côtés basent leurs calculs sur des hypothèses différentes, ainsi ils ont des réponses différentes. Un groupe rejette l’idée de l’imperfection dans ce cas particulier et pas l’autre.

L’imperfection est un sujet commun en cosmologie. Le physicien Stephen Hawking a fameusement déclaré que l’ univers était imparfait dès les premiers moments de son existence. Sans une diffusion imparfaite de la matière créée dans le Big Bang, la gravité n’aurait pas été en mesure de tirer ensemble les atomes qui composent les galaxies, les étoiles, les planètes – et nous.

Ce nouveau différend sur les firewalls et les fuzzballs s’articule autour du fait de savoir si les physiciens peuvent accepter que les trous noirs sont imparfaits, tout comme le reste de l’univers.

« Il n’existe pas une chose comme un trou noir parfait, car chaque trou noir est différent, » explique Mathur.

Son commentaire fait référence à la résolution du paradoxe de l’information, un débat de physique de longue durée dans laquelle Hawking a finalement concédé que la matière qui tombe dans un trou noir n’est pas détruite, mais qu’elle devient plutôt une partie du trou noir.

Le trou noir est modifié en permanence par les nouveaux ajouts. C’est comme si, métaphoriquement parlant, une nouvelle séquence de gène était greffée dans son ADN. Cela signifie que chaque trou noir est le produit unique de la matière qui vient à le croiser.

Le paradoxe de l’information a été en partie résolu par le développement de la théorie fuzzball par Mathur en 2003. L’idée qu’il publia dans le journal Nuclear Physics B en 2004;  été consolidée par le travail d’autres scientifiques dont Oleg Lunin de SUNY Albany, Stefano Giusto de l’Université de Padoue, Iosif Bena du CEA-Saclay, et Nick Warner, de l’Université de Californie du Sud. Co-auteurs de Mathur inclus puis-étudiants Borun Chowdhury (actuellement chercheur postdoctoral à l’Université Arizona State), et Steven Avery (maintenant un chercheur post-doctoral à l’Université Brown).

Leur modèle était radical à l’époque, puisqu’il suggérait que les trous noirs avaient une surface définie, bien que « fuzzy ». Cela signifie que, en fait, la matière ne tombe pas dans les trous noirs, mais qu’elle tombe sur eux.

Les implications du débat fuzzball-firewall sont profondes. Un des principes de la théorie des cordes est que notre existence en trois dimensions – à quatre dimensions si vous comptez le temps – pourrait en fait être un hologramme sur une surface qui existe dans beaucoup d’autres dimensions.

« Si la surface d’un trou noir est un firewall, alors l’idée que l’univers est un hologramme doit être fausse, » indique Mathur.

La nature même de l’univers est en jeu, mais ne vous attendez pas à ce que des physiciens rivaux en viennent aux mains à ce sujet.

« Ce n’est pas ce genre de désaccord, » rit Mathur. « C’est une question simple, vraiment. Acceptez-vous l’idée de l’imperfection ou non? »

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