modèle SYK

Un trou noir est un labyrinthe dont on ne peut pas sortir. Mais que devient l'information à l'intérieur ? Pour le vérifier, les physiciens ne sont pas allés jusqu'au trou le plus proche ; ils en ont construit une minuscule réplique sur un processeur quantique.

Dans le cosmos lointain existe un objet hypothétique : un trou noir ultra-froid. Il est chargé et se trouve dans un univers en expansion (l'espace de Sitter). Sa température est proche du zéro absolu — environ un billionième de degré au-dessus.

En 1973, Jacob Bekenstein a proposé que les trous noirs possèdent une entropie — une mesure du désordre caché. Stephen Hawking a ensuite confirmé cette idée en ajoutant le rayonnement, mais l'origine microscopique de l'entropie restait obscure.

Un trou noir, après un impact, sonne comme une cloche. Mais au lieu d'un son, il émet des ondes gravitationnelles dont la fréquence diminue rapidement — on appelle cela les modes quasi-normaux. Grâce à cette « sonnerie », on peut connaître la masse du trou, sa rotation et d'autres propriétés.

L'horizon d'un trou noir n'est pas un mur, mais plutôt une membrane à sens unique. Tout ce qui le franchit disparaît à jamais. Stephen Hawking a montré que cette frontière devrait faiblement briller, en émettant des particules. Mais capter une telle lueur d'un vrai trou est impossible — c'est trop loin et trop faible.

Un trou noir n'est pas simplement une tache sombre. Il tourne, entraîne l'espace dans son mouvement et peut porter les empreintes du monde quantique. Pour décrire un tel trou noir, il faut résoudre les équations du champ gravitationnel.

Un trou noir, dans la théorie classique, est un endroit où la matière se comprime en un point de densité infinie. Une telle « singularité » ressemble à une erreur dans les équations : la nature supporte mal les infinis.

Un trou noir est structuré en couches à l'intérieur, comme un oignon. Dans ce nouveau modèle, au lieu d'un point infini au centre, on trouve trois régions : un noyau dense, une couche de transition et une croûte juste sous l'horizon. Elles émergent toutes d'un seul champ qui interagit avec lui-même.

Baissez la lumière. Sur scène, un théâtre d'ombres où il n'y a que r marionnettistes — mais l'écran obéit aux lois de la courbure de l'espace-temps hyperbolique. Chaque geste de la main engendre un motif que les mathématiciens appellent un groupe discret d'isométries.

Le monde quantique est plein de métamorphoses. Parfois, un système composé de certaines particules se comporte comme s'il en contenait d'autres. Par exemple, dans une chaîne de bosons – des particules « sociables » qui aiment se rassembler dans un même état – des fermions peuvent surgir de manière inattendue, alors qu'ils ont tendance à rester à l'écart.

Si l'on jette un caillou dans un étang, des cercles se propagent à la surface. De la même manière, un trou noir « sonne » lorsque de la matière y tombe ou lorsque son espace-temps est légèrement secoué. Ces oscillations amorties sont appelées modes quasi-normaux — comme le son d'une cloche qui s'éteint progressivement.

On peut comparer un trou noir à une cloche : après un choc, il vibre en émettant une « sonnerie » qui s'amortit. Cette sonnerie, ce sont les ondes gravitationnelles que détectent les instruments sur Terre.

Une ampoule ordinaire chauffe et brille plus fort – tout le monde le sait. Mais un trou noir de la taille d'un noyau atomique obéit à d'autres lois.

Quand une voiture avec le régulateur de vitesse passe sur un ralentisseur, la vitesse fait un bond momentané, mais le moteur tourne régulièrement. C'est un peu ce que les astronomes ont récemment observé avec l'énergie noire, cette force qui accélère l'expansion de l'univers.

Une bouilloire ordinaire : on chauffe — la température monte, et avec elle le désordre des molécules, la vapeur s'échappe. Mais en laboratoire, on a créé une « bouilloire » inhabituelle — un trou noir analogique fait de circuits supraconducteurs refroidis à l'extrême.

Une pierre tombe dans un étang, et des cercles se propagent à la surface de l'eau. Si l'étang est agité, avec des vagues qui se croisent, le tableau se complique. C'est à peu près ainsi que se comporte l'espace autour d'un trou noir lorsqu'il est perturbé : il vibre, émettant des ondes gravitationnelles.

Le gaz qui tombe vers un trou noir s'enroule en spirale, comme l'eau dans un entonnoir. Dans ce flux, des boucles magnétiques naissent et éclatent sans cesse — un peu comme des éruptions solaires, mais bien plus puissantes. Chaque boucle est un minuscule aimant qui vit sa propre vie.

Une goutte de crème tombe dans une tasse de café — et en une minute, toute la boisson devient beige. Ce processus de mélange peut être mesuré : de combien faut-il « remuer » une distribution de particules pour la transformer en une autre ? En mathématiques, cette approche s'appelle le transport optimal, et la mesure de l'effort est la distance de Wasserstein.

Les physiciens ont découvert que pour ouvrir un trou de ver, il faut le secouer vigoureusement. Pas au sens littéral — mais sur une puce quantique, ils ont modélisé un système de 8 particules si chaotique et intriqué qu'il s'est transformé en un hologramme vibrant de trou noir.

Deux couches d'un matériau magnétique, tournées l'une par rapport à l'autre de quelques fractions de degré, comme deux grilles légèrement décalées sur une fenêtre. Dans leur état normal, elles ne produisent rien de particulier, mais à un certain angle de rotation, un effet inattendu apparaît dans le matériau.

Depuis le centre des galaxies, là où se cache un trou noir, jaillissent dans les deux directions d'étroits jets de gaz surchauffé : les jets. Ils brillent sur des distances énormes, parfois plus longues que la galaxie elle-même.

Lorsque deux particules entrent en collision puis se séparent, les physiciens consignent le résultat sous la forme d'une formule mathématique complexe. Ces formules sont nombreuses, et des liens invisibles les unissent — comme entre différentes recettes d'un même plat : on change l'ordre des étapes, mais le goût reste le même.

Une marche quantique ressemble à un homme ivre qui tourne au hasard à chaque intersection. Mais au lieu de rues, il y a des nœuds de graphe, et au lieu de pas, des transitions quantiques. Les scientifiques ont découvert que cette marche possède une mesure cachée : la complexité de Krylov.

Deux minuscules vortex magnétiques, appelés skyrmions, se déplacent sur un film mince. Lorsqu'ils se rapprochent, il ne se produit pas une simple attraction ou répulsion, mais une alternance des deux — comme si deux flotteurs sur l'eau se rapprochaient puis s'éloignaient, obéissant à une vague invisible.

En 1979, Su, Schrieffer et Heeger ont proposé un modèle qui expliquait les étranges propriétés électriques du polyacétylène, un polymère organique qui conduit le courant presque comme un métal.