Un physicien du RIKEN et deux collègues ont découvert qu’un trou de ver - un pont reliant des régions distantes de l’Univers - aide à éclaircir le mystère de ce qui arrive aux informations sur la matière consommée par les trous noirs.
La théorie de la relativité générale d’Einstein prédit que rien de ce qui tombe dans un trou noir ne peut échapper à ses griffes. Mais dans les années 1970, Stephen Hawking a calculé que les trous noirs devraient émettre des radiations si l’on tient compte de la mécanique quantique, la théorie qui régit le domaine microscopique. « C’est ce qu’on appelle l’évaporation du trou noir, car celui-ci se rétrécit, tout comme une goutte d’eau qui s’évapore », explique Kanato Goto, de l’Institut interdisciplinaire des sciences théoriques et mathématiques du RIKEN.
Cela a toutefois conduit à un paradoxe. Le trou noir finit par s’évaporer entièrement, et il en va de même pour toute information sur le contenu qu’il a avalé. Mais cela contredit un principe fondamental de la physique quantique : l’information ne peut pas disparaître de l’Univers. « Cela suggère que la relativité générale et la mécanique quantique, telles qu’elles existent actuellement, sont incompatibles entre elles », déclare Goto. « Nous devons trouver un cadre unifié pour la gravité quantique ».
De nombreux physiciens soupçonnent que l’information s’échappe, codée en quelque sorte dans le rayonnement. Pour étudier la question, ils calculent l’entropie du rayonnement, qui mesure la quantité d’informations perdues du point de vue d’une personne extérieure au trou noir. En 1993, le physicien Don Page a calculé que si aucune information n’est perdue, l’entropie augmentera initialement, mais tombera à zéro lorsque le trou noir disparaîtra.
Lorsque les physiciens combinent simplement la mécanique quantique avec la description standard d’un trou noir dans la relativité générale, Page semble avoir tort : l’entropie augmente continuellement à mesure que le trou noir se rétrécit, ce qui indique une perte d’information.
Mais récemment, les physiciens ont étudié la manière dont les trous noirs imitent les trous de ver, offrant ainsi une voie de sortie à l’information. Il ne s’agit pas d’un trou de ver dans le monde réel, mais d’un moyen de calculer mathématiquement l’entropie du rayonnement, note Goto. « Un trou de ver relie l’intérieur du trou noir et le rayonnement à l’extérieur, comme un pont ».
Lorsque Goto et ses deux collègues ont effectué une analyse détaillée combinant à la fois la description standard et l’image du trou de ver, leur résultat a correspondu à la prédiction de Page, ce qui suggère que les physiciens ont raison de soupçonner que l’information est préservée même après la disparition du trou noir.
« Nous avons découvert une nouvelle géométrie de l’espace-temps avec une structure en forme de trou de ver qui avait été négligée dans les calculs conventionnels », explique Goto. « L’entropie calculée en utilisant cette nouvelle géométrie donne un résultat complètement différent ».
Mais cela soulève de nouvelles questions. « Nous ne connaissons toujours pas le mécanisme de base de la façon dont l’information est emportée par le rayonnement », dit Goto. « Nous avons besoin d’une théorie de la gravité quantique ».
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