Si l’univers est un hologramme, nous pourrions bientôt contempler un trou noir

Si vous tombiez dans un trou noir, votre voyage pourrait ressembler à ceci.

Tout d’abord, vous regarderiez dans l’horizon des événements riche et rouge de l’abîme. Au-delà de cette barrière, la lumière ne peut pas s’échapper. Au fur et à mesure que vous vous rapprochiez, votre corps s’étirait comme un chewing-gum jusqu’à ce qu’il se spaghettise dans le vide. Si vous êtes encore conscient à ce stade, vous regarderez par l’entrée et regarderez un univers déformé se rétrécir de seconde en seconde. Ce ne serait plus votre univers. Le trou noir serait.

Selon toute probabilité, cependant, vous seriez rapidement déchiré en lambeaux.

En raison de cette catastrophe absolument horrible, nous ne recevrons probablement jamais de preuves de première main de ce qui se cache dans ces mystères cosmiques. Mais dans un article publié ce mois-ci dans la revue PRX Quantum, les scientifiques travaillent vers la prochaine meilleure chose. Ils ont développé des algorithmes informatiques pour aider à résoudre une théorie physique hallucinante appelée « dualité holographique ».

En un mot, la dualité holographique suggère que l’univers tridimensionnel, comme l’espace à l’intérieur des trous noirs, est mathématiquement lié à l’univers bidimensionnel, comme les plans de particules et les champs magnétiques. Il présente essentiellement le tissu de l’espace-temps comme un hologramme 3D « projeté » par des toiles 2D.

Je sais ce que tu penses. Non, ce ne serait pas comme le holodeck de Star Trek. Contrairement aux hologrammes de science-fiction classiques projetés par la lumière d’un écran, la dualité holographique est liée aux mathématiques pures.

« Cela n’a pas été prouvé formellement, du point de vue des mathématiques rigoureuses, mais nous connaissons de nombreux exemples où cette dualité fonctionne réellement », déclare l’auteur principal Enrico Rinaldi, chercheur à l’Université du Michigan, basée à Tokyo et hébergée par le Riken Center for Quantum Computing et le Theoretical Quantum Physics Laboratory.

Si la dualité holographique dictait vraiment l’univers, les scientifiques n’auraient pas besoin d’entrer dans un trou noir pour en prendre une photo. Au lieu de cela, ils pourraient étudier l’espace 2D facile à manipuler autour de la bête, puis extrapoler l’architecture 3D qui se cache à l’intérieur. « Il arrive souvent que des choses difficiles à calculer d’un côté soient faciles à calculer de l’autre côté », explique Rinaldi. « C’est pourquoi cette dualité est très importante et utile. »

Il compare l’idée d’avoir un dictionnaire où vous pouvez rechercher un mot sur une page et trouver sa signification sur une autre. Nous avons juste besoin d’une sorte d’index pour relier les mots d’espace 2D avec leurs définitions d’espace 3D – c’est-à-dire la connexion mathématique. Et c’est précisément ce que les algorithmes de Rinaldi sont prêts à faire.

Cependant, avant de pouvoir les utiliser pour déverrouiller l’intérieur d’un trou noir, il y a plusieurs étapes assez trippantes à suivre. « La dualité, telle qu’elle est en ce moment, s’applique à un espace-temps spécifique, qui est différent de l’espace-temps de notre univers », explique Rinaldi.

En d’autres termes, la dualité holographique est confinée à une sorte de monde théorique alternatif que les scientifiques utilisent comme un bac à sable.

Un terrain de jeu spatio-temporel

1916 est une grande année pour la physique. Albert Einstein avait publié le premier de nombreux articles qui modifieraient à jamais le domaine : une chronique du Saint Graal de la relativité générale. Depuis lors, la théorie a acquis la réputation d’être incassable. Je pourrais continuer indéfiniment sur ses conséquences spectaculaires, mais voici la partie importante pour la dualité holographique.

Supposons que vous ayez un trampoline et que vous y laissiez tomber un ballon de football. La surface plane se transformera vers l’intérieur, selon l’endroit où la balle se dépose. Maintenant, ajoutez une petite bille à la scène. Il tombera le long de la courbe du trampoline et se nichera à côté du ballon de football.

Dans cette analogie, la bille est vous, le ballon de football est la Terre et le trampoline est le tissu immatériel de l’espace et du temps — l’espace-temps. Selon la relativité générale, la gravité est cette « courbe » le long de laquelle nous tombons jusqu’à ce que nous soyons plantés au sol.

Dans notre univers – qui, selon les experts, est connu sous le nom d’univers « de Sitter » – la courbure de l’espace-temps est positive. C’est un problème. Un modèle positif n’est pas idéal pour les équations mathématiques, explique Rinaldi, en particulier lorsqu’il s’agit d’équations ultra-hautes dimensions. Mais il existe une solution facile. Les scientifiques calculent simplement des choses dans un univers théorique à courbure négative : le anti univers de Sitter. Ensuite, ils traduisent leurs résultats dans notre royaume.

Avance rapide jusqu’à la fin des années 1960. La théorie des cordes est née.

En tenant compte de la simplification, la théorie des cordes dit que si vous décomposez les atomes, les éléments constitutifs de notre univers, en particules élémentaires, puis les pulvérisez en particules encore plus petites, et ainsi de suite, vous finirez par obtenir des « cordes » vibrantes infinitésimales.

Vraisemblablement, ces cordes constituent tout ce que nous savons : particules, champs, espace-temps. Si la théorie des cordes est vraie, même vous et moi sommes constitués de morceaux qui se tortillent. C’est pourquoi ce concept est si important. C’est peut-être ce qui se rapproche le plus d’une théorie du tout. D’un autre côté, cependant, certains physiciens considèrent la théorie des cordes comme une impasse car nous n’avons toujours pas trouvé de preuves concrètes de ses prémisses.

Mais quoi qu’il en soit, la théorie des cordes nécessite des équations insondables à 11 dimensions – comme vous l’avez peut-être deviné, cela signifie qu’elle est enracinée dans l’univers anti de Sitter. Et selon Rinaldi, la dualité holographique repose sur la théorie des cordes. Ainsi, il est également enraciné dans l’univers anti de Sitter.

« Les trous noirs que nous pouvons étudier en ce moment, avec cette dualité, ne sont pas les mêmes trous noirs que nous imaginons être là-bas », déclare Rinaldi. « Ces trous noirs sont une sorte de terrain de jeu mathématique que nous pouvons utiliser pour formuler cette dualité et la tester. »

En termes simples : dans cet univers mathématiquement idéal, Rinaldi observe des trous noirs théoriques pour comprendre la dualité holographique. C’est comme jouer à un jeu en mode tutoriel avant que le niveau réel ne commence. Notre univers.

Arriver à ce niveau, cependant, est au cœur de toute cette procédure. « Si nous pouvons le faire pour anti de Sitter », dit Rinaldi, « alors nous devrions le faire pour de Sitter. »

« L’objectif final est toujours de pouvoir décrire la gravité et les trous noirs dans notre univers. »

La route dans un trou noir

OK, c’est là que tout se met en place.

Tout d’abord, un petit récapitulatif: La dualité holographique peut nous montrer ce qu’il y a à l’intérieur d’un trou noir car elle suggère que l’univers 2D est connecté à l’univers 3D via les mathématiques. Il suffit de construire un indice pour faire le pont entre les deux dimensions. Mais la dualité holographique est basée sur la théorie des cordes. Donc, d’abord, nous devons créer les plans de l’index dans notre univers bac à sable – l’univers théorique anti de Sitter.

Comment fait-on les plans ? Eh bien, dit Rinaldi, commencez par le côté le plus facile. C’est la moitié 2D. Mais même si ce côté fait moins mal d’y penser, ce n’est pas ce Facile; nous avons encore besoin de méthodes numériques solides pour l’analyser. « C’est ce que nous faisons », dit Rinaldi. « La partie numérique. »

Pensez à l’univers comme une couverture tricotée par des cordes qui ont un tas de points. Les algorithmes de Rinaldi utilisent l’informatique quantique et l’apprentissage en profondeur pour aider à calculer où se trouvent ces points sur la couverture et comment ils sont attachés les uns aux autres. Le but est en quelque sorte de tirer les « cordes » de la théorie des cordes, puis de les assembler, comme des connexions cosmiques.

Cependant, les chercheurs en sont encore au stade de la preuve de principe. Ils ont résolu quelques points prototypes avec leur méthode, mais ces points ne représentent vraiment rien. À l’avenir, cependant, Rinaldi dit que la méthode peut évoluer pour étudier des points complexes réellement présents sur les cordes anti de Sitter, y compris ceux qui concernent les trous noirs anti de Sitter.

Ensuite, nous serons sur la bonne voie pour créer l’indice 2D à 3D anti de Sitter qui révélera l’intérieur de ces trous noirs théoriques.

Ensuite, si l’indice est suffisamment précis, il peut être traduit dans notre univers observable fidèle à l’os.

Puis… nous pouvons utiliser l’indice final pour en savoir plus sur les entrailles menaçantes de réel, de Sitter trous noirs dans le confort de nos maisons et à l’abri de la terreur.

Une nouvelle théorie du tout ?

Quand vous pensez aux étapes que Rinaldi et des tonnes d’autres chercheurs prennent pour comprendre l’intérieur d’un trou noir – étudiez les prototypes de chaînes d’univers théoriques, mettez à l’échelle pour en savoir plus sur la géométrie complète de l’univers théorique, concentrez-vous sur les trous noirs théoriques, prenez tout de cela et filtrer l’univers réel à travers lui, et probablement plus que nous ne pouvons même pas comprendre – une question discordante pourrait être… pourquoi ?

Pourquoi tout cela est-il important ?

« Nous pensons que nous sommes sur le point d’expliquer le paradoxe de l’information des trous noirs », déclare Rinaldi. « Si l’information pénètre dans un trou noir, la relativité générale dit, OK, tout ce qui y entre est perdu pour toujours. »

Mais la mécanique quantique, l’autre principe fondateur de notre univers, dit que vous ne pouvez pas perdre d’informations. Il dit que l’information est toujours conservée. Peut-être peut-il changer, se transformer ou s’adapter, mais il ne peut pas disparaître. Alors qu’arrive-t-il aux informations qui plongent dans ces immenses vides spatiaux ?

« Stephen Hawking a eu cette idée de l’évaporation d’un trou noir et a dit ‘Regardez, en fait il y a des trucs qui sortent d’un trou noir, ça sort lentement' », dit Rinaldi.

Mais même ces morceaux qui sortent ne ressemblent pas à ce qui est entré. Les choses semblent toujours perdues dans le processus. « C’est un très, très gros problème en physique », déclare Rinaldi. « Et les gens utilisent la dualité pour comprendre ce paradoxe. » Si nous pouvons comprendre ce qu’il y a à l’intérieur, alors peut-être que nous pourrons prouver que les soi-disant informations perdues sont en fait, eh bien, à l’intérieur.

« Peut-être que ce n’est pas perdu, c’est juste dans une configuration différente. Ce ne sont plus des particules, ce n’est plus de l’espace-temps, c’est autre chose. »