paradoxe de l'information des trous noirs

Alice prépare une particule quantique dans l'un de plusieurs états et l'envoie à Bob. Le canal par lequel voyage la particule n'est pas idéal : il est bruyant, il disperse, il interagit avec l'environnement. Bob reçoit le signal et essaie de comprendre ce qu'Alice a exactement envoyé.

Un trou noir a trois lois, comme un gaz parfait. La première : l'énergie ne disparaît pas. La deuxième : l'aire de l'horizon des événements ne décroît pas. Et la troisième, la plus capricieuse, exige qu'à température nulle, l'entropie (mesure du désordre) tende vers zéro ou une constante universelle.

Un trou noir dans lequel quelque chose tombe ne se contente pas de s'évaporer pendant des milliards d'années : il peut éclater comme une bulle de savon et devenir son contraire — un trou blanc. Ce scénario est suggéré par des expériences numériques en gravité semi-classique.

Un ordinateur quantique ressemble à un flocon de neige fragile posé sur une paume chaude. Le moindre souffle de chaleur ou une légère vibration – et il se transforme en goutte. Pour que le flocon survive, on le corrige constamment, en restaurant sa forme initiale. C'est ce qu'on appelle la correction d'erreurs quantiques.

La relativité générale, qui décrit la structure de l'Univers, n'interdit pas les boucles temporelles. Mais Stephen Hawking a émis l'hypothèse d'une « protection de la chronologie » : les effets quantiques devraient détruire ces boucles, rendant les voyages dans le passé impossibles.

L'eau se transforme en glace à zéro degré — brusquement, sans états intermédiaires. Quelque chose de similaire se produit avec la complexité lorsque l'on prend un état quantique aléatoire d'un système entier et que l'on ne regarde qu'une partie de celui-ci. Tant que cette partie occupe moins de la moitié du système, sa complexité croît régulièrement.

Un trou noir n'est pas éternel. Même dans le vide le plus total, il perd lentement de l'énergie — ce processus est appelé rayonnement de Hawking. Les effets quantiques près de l'horizon des événements créent des paires de particules, dont l'une s'échappe, emportant une partie de la masse du trou noir.

Un trou noir n'est pas qu'un abîme où tout tombe. À son horizon même, dans ce que l'on appelle l'atmosphère quantique, naît une faible lueur — le rayonnement de Hawking. Ce n'est pas une lumière paisible, mais un flux bouillonnant de particules capable d'influencer les liens quantiques les plus subtils.

L'horizon cosmologique — la limite de l'univers observable, qui est en expansion accélérée — ressemble à un coffre-fort à minuterie. L'information sur ce qui franchit cette frontière ne disparaît pas, elle revient, mais avec un délai. Des physiciens ont déterminé la durée de cette pause.

Un trou noir ressemble à un coffre-fort qui restitue lentement son contenu — énergie et information — via une faible lueur appelée rayonnement de Hawking. Mais si le coffre s'ouvre trop vite, un « mur de feu » peut s'embraser à sa frontière — une région où les lois habituelles de la physique cessent de fonctionner.

Le paradoxe des trous noirs a tourmenté les physiciens pendant des décennies. Si un trou noir disparaît, où va son contenu ? Les découvertes de Stephen Hawking et Jacob Bekenstein ont montré que pour sauver les lois de la nature, il faut une solution audacieuse.

Un feu de camp ne se consume pas d'un coup. Si l'on jette un œil aux flammes à un instant aléatoire, on ne voit qu'un chaos de langues de feu — et l'on ne peut jamais savoir ce qui a brûlé : une branche humide, un vieux journal ou une brassée d'herbe sèche.

En 1867, James Clerk Maxwell a proposé une image qui intrigue encore les physiciens. Deux compartiments remplis de gaz sont séparés par une porte. Les molécules s'agitent de façon chaotique : rapides et lentes. Un minuscule portier n'ouvre la porte que devant les molécules rapides, les laissant passer d'un côté, et les lentes de l'autre.

Stephen Hawking a montré que les trous noirs — des régions où la gravité est si intense que même la lumière ne peut s'en échapper — émettent des particules et finissent par s'évaporer. Ce processus est appelé rayonnement de Hawking. Mais une question se pose : où disparaît l'information sur ce qui est tombé dans le trou ?

Un ballon de baudruche avec un motif dessiné se dégonfle — et le motif ondule, se déforme. C'est à peu près ce qui arrive à un trou noir qui s'évapore lentement, perdant de l'énergie par le rayonnement découvert par Stephen Hawking.

La physique ressemble souvent à la construction d'un navire géant — l'Univers. Les ingénieurs-physiciens ne se sont pas encore mis d'accord sur les plans de base.

Le tableau standard de l'évaporation d'un trou noir, esquissé par Hawking, a longtemps semblé rassurant : les fluctuations quantiques près de l'horizon engendrent un rayonnement thermique, le trou fond lentement, et l'espace-temps derrière lui…

On lance deux pièces dans des villes différentes, mais elles retombent toujours du même côté. Les physiciens appellent cela l'intrication : les particules se comportent comme si un fil invisible les reliait. Mais et si ce fil n'était pas instantané, simplement très rapide, mais toujours pas plus rapide que la lumière ?

Aussi fragile qu'un flocon dans une fournaise, l'intrication quantique succombe d'habitude à la moindre chaleur. Près d'un trou noir, où l'espace est tordu par la gravité d'Einstein et où le rayonnement de Hawking réchauffe, toute liaison devrait se briser.

La méthode de la « double copie » en physique, c'est un peu comme un tour de cuisine : le cuisinier prend une recette de soupe froide et, en doublant les ingrédients, obtient une recette de rôti chaud.

En 2017, les détecteurs d'ondes gravitationnelles LIGO et Virgo ont capté une ondulation de l'espace-temps provenant de la fusion de deux trous noirs à 540 mégaparsecs de nous. L'événement a été nommé GW170814.