Le physicien mathématicien et cosmologiste Stephen Hawking était surtout connu pour ses travaux explorant la relation entre les trous noirs et la physique quantique. Un trou noir est le vestige d'une étoile supermassive mourante qui est tombée sur elle-même; ces restes se contractent à une si petite taille que la gravité est si forte que même la lumière ne peut s'en échapper. Les trous noirs occupent une place importante dans l'imaginaire populaire - les écoliers se demandent pourquoi l'univers entier ne s'effondre pas en un seul. Mais le travail théorique minutieux de Hawking a comblé certains des trous dans les connaissances des physiciens sur les trous noirs.

Pourquoi les trous noirs existent-ils ?

La réponse courte est :                                                                                                                              . et la vitesse de la lumière n'est pas infinie.

Imaginez que vous vous tenez à la surface de la Terre, et tirer une balle en l'air sous un angle. Votre balle standard redescendra, quelque part plus loin. Supposons que vous ayez un fusil très puissant. Vous pourrez alors tirer la balle à une vitesse telle que, plutôt que de descendre loin, il "manquera" plutôt la Terre. Tombant sans cesse, et manquant continuellement la surface, la balle sera en fait en orbite autour de la Terre. Si votre fusil est encore plus puissant, la balle peut être si rapide qu'elle quitte complètement la gravité terrestre. C'est essentiellement ce qui se passe lorsque nous envoyons des fusées sur Mars, par exemple.

Imaginez maintenant que la gravité est beaucoup, beaucoup plus fort. Aucun fusil ne pourrait accélérer suffisamment les balles pour quitter cette planète, alors à la place, vous décidez de photographier la lumière. Alors que les photons (les particules de lumière) n'ont pas de masse, ils sont encore influencés par la gravité, courber leur trajectoire tout comme la trajectoire d'une balle est courbe par gravité. Même la plus lourde des planètes n'aura pas une gravité assez forte pour courber suffisamment la trajectoire du photon pour l'empêcher de s'échapper.

Mais les trous noirs ne sont pas comme des planètes ou des étoiles, ce sont les restes des étoiles, emballé dans la plus petite des sphères, dire, à quelques kilomètres de rayon. Imaginez que vous puissiez vous tenir à la surface d'un trou noir, armé de votre pistolet à rayons. Vous tirez vers le haut sous un angle et remarquez que le rayon lumineux se courbe à la place, descend et manque la surface! Maintenant, le rayon est en "orbite" autour du trou noir, à une distance à peu près ce que les cosmologues appellent le rayon de Schwarzschild, le point de non-retour."

Ainsi, car même la lumière ne peut s'échapper d'où vous vous tenez, l'objet que vous habitez (si vous pouviez) semblerait complètement noir à quelqu'un qui le regarde de loin :un trou noir.

Mais Hawking a découvert que les trous noirs ne sont pas complètement noirs ?

La reponse courte est oui.

Ma description précédente des trous noirs utilisait le langage de la physique classique - en gros, La théorie de Newton appliquée à la lumière. Mais les lois de la physique sont en réalité plus compliquées parce que l'univers est plus compliqué.

En physique classique, le mot "vide" signifie l'absence totale et complète de toute forme de matière ou de rayonnement. Mais en physique quantique, le vide est beaucoup plus intéressant, en particulier lorsqu'il est à proximité d'un trou noir. Plutôt que d'être vide, le vide regorge de paires particule-antiparticule créées fugitivement par l'énergie du vide, mais doivent s'annihiler peu de temps après et renvoyer leur énergie dans le vide.

Vous trouverez toutes sortes de paires particule-antiparticule produites, mais les plus lourdes se produisent beaucoup plus rarement. Il est plus facile de produire des paires de photons car elles n'ont pas de masse. Les photons doivent toujours être produits par paires afin qu'ils s'éloignent les uns des autres et ne violent pas la loi de conservation de la quantité de mouvement.

Imaginez maintenant qu'une paire se crée juste à cette distance du centre du trou noir où circule le « dernier rayon lumineux » :le rayon de Schwarzschild. Cette distance peut être éloignée de la surface ou proche, en fonction de la masse du trou noir. Et imaginez que la paire de photons est créée de sorte que l'un des deux pointe vers l'intérieur - vers vous, au centre du trou noir, tenant votre pistolet à rayons. L'autre photon pointe vers l'extérieur. (D'ailleurs, vous seriez probablement écrasé par la gravité si vous essayiez cette manœuvre, mais supposons que vous êtes surhumain.)

Maintenant, il y a un problème :le photon qui s'est déplacé à l'intérieur du trou noir ne peut pas en ressortir, car il se déplace déjà à la vitesse de la lumière. La paire de photons ne peut pas s'annihiler à nouveau et rendre son énergie au vide qui entoure le trou noir. Mais quelqu'un doit payer le cornemuseur et cela devra être le trou noir lui-même. Après avoir accueilli le photon dans sa terre de non-retour, le trou noir doit restituer une partie de sa masse à l'univers :exactement la même quantité de masse que l'énergie que la paire de photons "a empruntée, " selon la fameuse égalité d'Einstein E=mc².

C'est essentiellement ce que Hawking a montré mathématiquement. Le photon qui quitte l'horizon du trou noir donnera l'impression que le trou noir avait une faible lueur :le rayonnement de Hawking qui porte son nom. En même temps, il a estimé que si cela arrive souvent, pendant longtemps, le trou noir pourrait perdre tellement de masse qu'il pourrait disparaître complètement (ou plus précisément, redevenir visible).

Les trous noirs font-ils disparaître l'information pour toujours ?

Réponse courte :Non, ce serait contraire à la loi.

De nombreux physiciens ont commencé à s'inquiéter de cette question peu de temps après la découverte de la lueur par Hawking. Le problème est le suivant :les lois fondamentales de la physique garantissent que chaque processus qui se déroule « en avant dans le temps, " peut également se produire " à reculons dans le temps ".

Cela semble contraire à notre intuition, où un melon qui éclaboussait le sol ne se réassemblerait jamais comme par magie. Mais ce qui arrive aux gros objets comme les melons est vraiment dicté par les lois de la statistique. Pour que le melon se reconstitue, de nombreux milliards de particules atomiques devraient faire la même chose à l'envers, et la probabilité que cela se produise est essentiellement nulle. Mais pour une seule particule, ce n'est pas du tout un problème. Donc pour les choses atomiques, tout ce que vous observez vers l'avant peut tout aussi bien se produire vers l'arrière.

Imaginez maintenant que vous tirez l'un des deux photons dans le trou noir. Ils ne diffèrent que par un marqueur que l'on peut mesurer, mais cela n'affecte pas l'énergie du photon (c'est ce qu'on appelle une "polarisation"). Appelons ces "photons de gauche" ou "photons de droite". Après que le photon gauche ou droit ait traversé l'horizon, le trou noir change (il a maintenant plus d'énergie), mais cela change de la même manière que le photon gauche ou droit ait été absorbé.

Deux histoires différentes sont maintenant devenues un seul futur, et un tel futur ne peut pas être inversé :comment les lois de la physique sauraient-elles lequel des deux passés choisir ? Gauche ou droite? C'est la violation de l'invariance par inversion du temps. La loi exige que chaque passé ait exactement un futur, et chaque futur exactement un passé.

Certains physiciens pensaient que le rayonnement de Hawking portait peut-être une empreinte gauche/droite afin de donner à un observateur extérieur un indice sur ce qu'était le passé, mais non. Le rayonnement de Hawking vient de ce vide vacillant entourant le trou noir, et n'a rien à voir avec ce que vous jetez. Tout semble perdu, mais pas si vite.

En 1917, Albert Einstein a montré que la matière (même le vide à côté de la matière) réagit réellement aux choses entrantes, d'une manière très particulière. Le vide à côté de cette matière est "chatouillé" pour produire une paire particule-antiparticule qui ressemble à une copie exacte de ce qui vient d'arriver. Dans un sens très réel, la particule entrante stimule la matière pour créer une paire de copies d'elle-même - en fait une copie et une anti-copie. Rappelles toi, des paires aléatoires de particule et d'antiparticule sont créées dans le vide tout le temps, mais les paires chatouillées ne sont pas du tout aléatoires :elles ressemblent exactement au chatouilleur.

Ce processus de copie est connu sous le nom d'effet « émission stimulée » et est à l'origine de tous les lasers. La lueur Hawking des trous noirs, d'autre part, est exactement ce qu'Einstein a appelé l'effet "d'émission spontanée", se déroule près d'un trou noir.

Imaginez maintenant que le chatouillement crée cette copie, de sorte que le photon gauche chatouille une paire de photons gauche, et un photon droit donne une paire de photons droit. Étant donné qu'un partenaire des paires chatouillées doit rester en dehors du trou noir (encore une fois à cause de la conservation de la quantité de mouvement), cette particule crée la "mémoire" qui est nécessaire pour que l'information soit préservée :un passé n'a qu'un avenir, le temps peut être inversé, et les lois de la physique sont sûres.

Dans un accident cosmique, Hawking est mort le jour de l'anniversaire d'Einstein, dont la théorie de la lumière, ça arrive comme ça, sauve la théorie des trous noirs de Hawking.

Cet article a été initialement publié sur The Conversation. Lire l'article original.