Les opinions divergent sur ce qu’une mesure récente d’un fluide de piégeage sonore révèle à propos de la lumière piégeant les trous noirs.
Le mois dernier, une équipe de physiciens a rapporté dans la revue “Nature” qu’un fluide de piégeage du son, analogue à un trou noir qui piège la lumière, irradie un spectre d’énergies sans relief, comme Stephen Hawking l’avait prédit pour les sphères invisibles qu’il avait signalé pour son étude. Mais les opinions divergent quant à ce que cet analogue sonore d’un trou noir révèle à propos du genre réel – tel que celui récemment vu en silhouette sur une toute première photographie. La question est de savoir comment interpréter l’analogie étrange entre un fluide d’atomes de rubidium dans un laboratoire en Israël et les mystérieux abysses d’astrophysique le plus souvent créés lorsque de grandes étoiles épuisent leur énergie et s’effondrent vers l’intérieur. Certains philosophes et physiciens soutiennent que les nouvelles découvertes ont des conséquences frappantes sur le paradoxe de l’information sur les trous noirs, un profond casse-tête vieux de 45 ans sur la question de savoir si l’information quantique échappe aux trous noirs. D’autres considèrent l’expérience fluide comme une démonstration amusante qui ne dit rien sur les trous noirs ou leur mystère central.
Le paradoxe découle de la perception de Hawking en 1974 selon laquelle un trou noir n’est pas vraiment noir. Son «horizon d’événements» sphérique d’aspect noir marque le voisinage dans lequel sa gravité est si forte que même les rayons lumineux ne peuvent pas sortir.
Mais Hawking a estimé que le tissu spatio-temporel à l’horizon des événements connaîtrait des «fluctuations quantiques», où des paires de particules et d’antiparticules surgissent spontanément du vide. Normalement, ces contraires s’annulent instantanément et redonnent une énergie empruntée au reste de l’univers. Mais une particule et une antiparticule qui se matérialisent de part et d’autre de l’horizon des événements d’un trou noir sont entraînées séparément.
Hawking réalisa que de l’énergie était prise dans le vide lors de la création permanente d’une nouvelle particule, qui rayonne de l’horizon sous le nom de «rayonnement Hawking». Son complice prend la chute, transportant de l’énergie négative dans le trou noir. En d’autres termes, les trous noirs perdent de l’énergie lorsqu’ils rayonnent. Ils s’évaporent et se contractent lentement pour finalement disparaître complètement. Le problème est que, selon les calculs de Hawking, le rayonnement des trous noirs sera aléatoire, avec un spectre d’énergies «thermique» sans caractéristique qui ne porte aucune information sur le trou noir ni sur ce qui est formé ou qui y est tombé. Cela implique qu’un trou noir en train de s’évaporer détruit des informations – ce que la mécanique quantique ne permet pas. Les mathématiques quantiques reposent sur le principe selon lequel l’information n’est jamais perdue. À mesure que les particules se mélangent et se transforment, un enregistrement du passé reste toujours encodé dans le présent et le futur. Nous pourrions théoriquement recréer un livre brûlé de ses cendres en remontant le temps.
Dans les décennies qui ont suivi la découverte du rayonnement de Hawking, le paradoxe de l’information a motivé la quête d’une compréhension plus profonde de la nature. Les physiciens d’aujourd’hui croient généralement que les informations sur les trous noirs sont préservées – que la nature quantique de la gravité modifie en quelque sorte les horizons des événements (et corrige le calcul de Hawking) de manière à chiffrer le rayonnement de Hawking sortant avec une trace du passé. La question est de savoir comment les informations sur les trous noirs sont diffusées. Il y a plusieurs années, le physicien théoricien Bill Unruh a fait valoir que les idées de Hawking sur les horizons de trous noirs devraient également s’appliquer aux «horizons sonores». Le praticien le plus connu, Jeff Steinhauer du Technion à Haïfa, en Israël, génère un horizon sonique en accélérant un fluide d’atomes de rubidium-87 à une vitesse supersonique. En 2016, Steinhauer a fait la une des journaux en détectant l’analogue acoustique du rayonnement de Hawking. Des unités sonores, appelées phonons, sont apparues par paires à cheval sur l’horizon sonique. Un phonon se laisserait entraîner par le fluide en mouvement tandis que l’autre se frayait un chemin en amont et s’échappait.
Maintenant, trois années d’amélioration de l’appareil ont «permis de vérifier quantitativement les prévisions de Hawking», a déclaré Steinhauer. Dans son nouvel article, lui et trois collaborateurs ont rapporté que leur rayonnement sonique est sans particularité, tout comme Hawking l’avait calculé pour les trous noirs. “La découverte nous donne des indices sur le paradoxe de l’information”, a déclaré Steinhauer par courrier électronique. «La forme thermique du spectre suggère que le rayonnement de Hawking ne porte aucune information. Nous devons donc chercher ailleurs pour résoudre le paradoxe de l’information. ” La plupart des chercheurs en gravitation quantique sont en désaccord avec cette évaluation, mais un groupe de philosophes qui s’intéressent aux expériences de trous noirs analogues pensent que Steinhauer a raison. La question clé est de savoir si l’espace-temps à l’horizon des événements d’un trou noir peut être traité comme lisse. Hawking et Unruh, dans leurs études sur les trous noirs réels et soniques, ont supposé que les fluctuations quantiques se produisaient sur un fond lisse. Hawking, dans son calcul, a passé en revue les propriétés microscopiques (inconnues) du tissu espace-temps à l’horizon des événements, et Unruh a également traité le fluide dans un trou noir sonique comme lisse, ignorant ses atomes composites. C’est cette “approximation de la douceur” que la plupart des chercheurs en gravimétrie quantique trouvent suspect. Ils pensent que les propriétés à l’échelle quantique de l’espace-temps codent en quelque sorte des informations dans le rayonnement de Hawking.
Les nouvelles mesures de Steinhauer confirment que dans le cas du fluide, l’approximation du lissé fonctionne. De plus, les études théoriques de Unruh suggèrent que des fluides ayant diverses propriétés microscopiques resteront lisses à l’échelle macro et émettront un rayonnement de Hawking thermique sans particularités.
Les philosophes soutiennent que «l’universalité» du rayonnement de Hawking – sa robustesse et son insensibilité aux détails fins d’un support – suggère que l’approximation de la régularité devrait également s’appliquer à l’espace-temps. «Nous soutenons que s’il s’avère que les hypothèses de modélisation ne vous orientent pas mal dans le cas acoustique, cela vous donne une bonne raison, sur la base de considérations relatives à l’universalité, de croire qu’elles ne vous ont pas mal orienté dans l’affaire Hawking. », A déclaré Eric Winsberg, philosophe des sciences à l’Université de Floride du Sud et co-auteur d’une étude récente sur les expériences de trous noirs analogues. En d’autres termes, les nouveaux résultats augmentent la probabilité «que des informations contenues dans de véritables trous noirs soient perdues». Cependant, les philosophes ont discuté dans un autre article récent du problème suivant: même si l’approximation de la fluidité est valable pour les fluides, elle pourrait ne pas l’être pour l’espace-temps, qui pourrait être cousu à partir de parties microscopiques selon un motif beaucoup plus étrange.
Peut-être, comme l’a dit Winsberg, «il y a plus de façons pour que l’espace-temps dévie de la finesse que ce que l’on pourrait imaginer dans votre philosophie». Par exemple, diverses expériences de pensée et exemples de jouets suggèrent que l’espace-temps pourrait être holographique – une projection géométrique, similaire à la manière dont l’univers d’un jeu vidéo émerge d’une puce informatique. L’intérieur d’un trou noir pourrait être un hologramme qui projetterait des informations encodées à l’horizon des événements. Daniel Harlow, théoricien de la gravitation quantique et expert des trous noirs au Massachusetts Institute of Technology, a déclaré qu’un tel scénario devrait ajouter une structure subtile au spectre du rayonnement de Hawking. Le rayonnement aurait l’air thermique, mais des motifs significatifs apparaitraient «si vous intégriez l’intégralité du nuage de rayonnement dans un ordinateur quantique et exécutiez des algorithmes fantaisistes dessus».
Les philosophes admettent que les possibilités exotiques des propriétés de l’espace-temps à l’échelle quantique «masquent la force» avec laquelle l’expérience de Steinhauer rend plus probable la perte d’informations sur les trous noirs.
Cela changera-t-il l’esprit de quelqu’un? Différentes convictions de départ, exigences en matière de preuve et autres facteurs “peuvent avoir un impact considérable sur le type d’inférences faites par les scientifiques”, a déclaré Sean Gryb, physicien et philosophe à l’université de Bristol.
Les théoriciens de la gravité quantique continueront presque certainement à penser que l’information échappe aux trous noirs, même si la minorité qui croit en la perte d’information se sent plus confiante. Sans mesurer le rayonnement réel des trous noirs – ce qui est au-delà de la portée expérimentale – comment les experts vont-ils jamais être d’accord? «C’est le genre de question que les philosophes de la science recherchent depuis très longtemps pour une réponse précise», a déclaré Sean Gryb.