Si quelque chose peut résumer le peu de connaissances que nous avons de l’Univers, c’est bien les trous noirs. Nous ne pouvons pas les voir parce que même la lumière ne peut pas échapper à leur attraction gravitationnelle, nous n’avons aucune idée de quoi ils sont faits, et où va tout ce qui se trouve à l’intérieur une fois qu’un trou noir meurt ? ¯\_(ツ)_/¯
Les physiciens ne parviennent même pas à se mettre d’accord sur la question de savoir si les trous noirs sont des mastodontes massifs et tridimensionnels, ou simplement des surfaces bidimensionnelles projetées en 3D comme un hologramme.
Mais une nouvelle étude vient de renforcer les arguments en faveur des trous noirs holographiques, avec un nouveau calcul de l’entropie – ou du désordre – à l’intérieur, qui soutient la possibilité que ces énigmes géantes de l’Univers ne soient qu’une illusion d’optique.
Tout d’abord, parlons de l’hypothèse holographique. Proposée pour la première fois par le physicien Leonard Susskind dans les années 1990, elle prédit que, mathématiquement parlant, l’Univers n’a besoin que de deux dimensions – et non de trois – pour que les lois de la physique et de la gravité fonctionnent comme elles le devraient.
Pour nous, cependant, tout apparaît comme une image tridimensionnelle de processus bidimensionnels projetés sur un immense horizon cosmique.
Cela peut sembler fou, mais cela pourrait en fait résoudre certaines contradictions importantes entre la théorie de la relativité d’Einstein et la mécanique quantique – le paradoxe de l’information “rien ne peut s’échapper d’un trou noir, mais la matière ne peut jamais être complètement détruite”, par exemple.
Et, comme Fiona MacDonald nous l’a expliqué l’année dernière, les physiciens ont réussi à faire correspondre les résultats des phénomènes gravitationnels au comportement des particules quantiques en utilisant seulement deux dimensions spatiales : “[D]epuis 1997, plus de 10 000 articles ont été publiés pour soutenir cette idée”
Laissant l’Univers entier de côté pour l’instant, appliquons plutôt ce raisonnement à un trou noir.
Les physiciens ont suggéré que la raison pour laquelle nous n’arrivons pas à comprendre ce qui arrive aux objets une fois qu’ils sont tombés par-dessus le bord – ou horizon des événements – et dans un trou noir, est qu’il n’y a pas d'”intérieur”. Au contraire, tout ce qui passe le bord reste coincé dans les fluctuations gravitationnelles à la surface.
Une équipe dirigée par le physicien Daniele Pranzetti, de l’Institut Max Planck de physique théorique, en Allemagne, vient de proposer une nouvelle estimation de la quantité d’entropie présente dans un trou noir, et ses calculs confirment ce scénario.
“Nous avons été en mesure d’utiliser un modèle plus complet et plus riche par rapport à ce qui a été fait par le passé… et d’obtenir un résultat beaucoup plus réaliste et robuste”, explique M. Pranzetti. “Cela nous a permis de lever plusieurs ambiguïtés affligeant les calculs précédents”
Les chercheurs se sont concentrés sur l’entropie – Stephen Hawking a suggéré dans le passé que l’entropie d’un trou noir doit être proportionnelle à sa surface, mais pas à son volume, et cette idée est ce qu’une propriété physique qui encode comment ordonné, ou désordonné, quelque chose est. a suscité les premières pensées sur la possibilité de trous noirs holographiques.
“Bien qu’il y ait un certain consensus dans la communauté scientifique sur le fait que les trous noirs doivent avoir de l’entropie, sinon leur existence violerait la deuxième loi de la thermodynamique, aucun accord n’a été trouvé sur l’origine de cette entropie, ni sur la façon de calculer sa valeur”, explique Joanne Kennel pour The Science Explorer.
Pour trouver une nouvelle façon d’aborder ce problème, Pranzetti et ses collègues ont utilisé une approche théorique appelée gravité quantique à boucles (LQG) pour expliquer un concept connu sous le nom de gravité quantique.
En physique théorique, la gravité quantique cherche à décrire la force de gravité selon les principes de la mécanique quantique et prédit que le tissu de l’espace-temps est constitué de minuscules grains appelés quanta – les “atomes” de l’espace-temps.
Les collections de ces quanta sont connues sous le nom de condensats, et l’équipe a découvert que, tout comme une cruche remplie d’atomes qui composent les molécules d’eau, un trou noir composé de condensats aurait toutes les mêmes propriétés, et que leur comportement collectif et leur impact gravitationnel pourraient être déterminés en étudiant les propriétés d’un seul d’entre eux.
Cela signifie que si nous ne pouvons pas réellement voir ou mesurer ce qui se trouve au-delà de l’horizon des événements d’un trou noir – et donc son entropie – cela n’a pas vraiment d’importance, si les propriétés collectives de tous ses “atomes” peuvent être mesurées dans un seul d’entre eux.
“De même que les fluides à notre échelle apparaissent comme des matériaux continus bien qu’ils soient constitués d’un nombre considérable d’atomes, de même, en gravité quantique, les atomes constitutifs fondamentaux de l’espace forment une sorte de fluide, c’est-à-dire un espace-temps continu”, explique l’équipe dans un communiqué de presse. “Une géométrie continue et homogène (comme celle d’un trou noir à symétrie sphérique) peut (…) être décrite comme un condensat”
Alors, qu’est-ce que cela signifie pour notre hypothèse d’hologramme ? Eh bien, imaginez un trou noir comme un panier de basket-ball tridimensionnel – l’anneau est l’horizon des événements, et le filet est le trou dans lequel toute la matière tombe et disparaît. Poussez ce filet vers le haut de l’anneau pour en faire un cercle plat et bidimensionnel, puis imaginez que tout ce métal et cette ficelle sont constitués d’eau. Maintenant, tout ce que vous mesurez dans l’anneau peut être appliqué à ce qui se trouve dans le filet.
Dans cette optique, Pranzetti et son équipe disposent désormais d’un modèle concret pour montrer que la nature tridimensionnelle des trous noirs pourrait n’être qu’une illusion : toutes les informations d’un trou noir peuvent théoriquement être contenues sur une surface bidimensionnelle, sans qu’il soit nécessaire d’avoir un “trou” réel ou un intérieur. “D’où le lien entre l’entropie et la surface, plutôt que le volume”, explique The Daily Galaxy.
Leur modèle a été décrit dans Physical Review Letters et, même s’il sera pratiquement impossible de prouver définitivement que les trous noirs sont en fait bidimensionnels, les physiciens théoriques vont certainement essayer quand même. Cette étude pourrait bien être la prochaine grande étape pour les faire avancer sur cette voie, et c’est plutôt cool dans nos livres.