Les trous noirs finiront par détruire tous les états quantiques, affirment les chercheurs

À l'Université de Princeton au début des années 1970, le célèbre physicien théoricien John Wheeler pouvait être aperçu lors de séminaires ou de discussions de couloir impromptues dessinant un grand «U». La pointe gauche de la lettre représentait le début de l'univers, où tout était incertain et où toutes les possibilités quantiques se produisaient en même temps. La pointe droite de la lettre, parfois ornée d'un œil, représentait un observateur regardant en arrière dans le temps, donnant ainsi naissance au côté gauche du U.

Dans cet « univers participatif », comme l'appelait Wheeler, le cosmos s'est étendu et refroidi autour du U, formant des structures et créant éventuellement des observateurs, comme des humains et des appareils de mesure. En regardant en arrière vers l'univers primitif, ces observateurs l'ont en quelque sorte rendu réel.

"Il disait des choses comme 'Aucun phénomène n'est un vrai phénomène tant que ce n'est pas un phénomène observé'", a déclaré Robert M. Wald, un physicien théoricien de l'Université de Chicago qui était alors étudiant au doctorat de Wheeler.

Or, en étudiant le comportement de la théorie quantique à l'horizon d'un trou noir, Wald et ses collaborateurs ont calculé un nouvel effet évocateur de l'univers participatif de Wheeler. La simple présence d'un trou noir, ont-ils découvert, est suffisante pour transformer la "superposition" floue d'une particule - l'état d'être dans plusieurs états potentiels - en une réalité bien définie. "Cela évoque l'idée que ces horizons de trous noirs regardent", a déclaré le co-auteur Gautam Satishchandran, physicien théoricien à Princeton.

"Ce que nous avons trouvé pourrait être une réalisation mécanique quantique de [l'univers participatif], mais où l'espace-temps lui-même joue le rôle d'observateur", a déclaré Daine Danielson, le troisième auteur, également à Chicago.

Les théoriciens débattent maintenant de ce qu'il faut lire dans ces trous noirs vigilants. "Cela semble nous dire quelque chose de profond sur la façon dont la gravité influence la mesure en mécanique quantique", a déclaré Sam Gralla, astrophysicien théoricien à l'Université d'Arizona. Mais si cela s'avérera utile pour les chercheurs qui se dirigent vers une théorie complète de la gravité quantique, personne ne sait encore.

Cet effet est l'un des nombreux découverts au cours de la dernière décennie par des physiciens étudiant ce qui se passe lorsque la théorie quantique est combinée à la gravité à basse énergie. Par exemple, les théoriciens ont eu beaucoup de succès en pensant à Rayonnement Hawking, ce qui provoque l'évaporation lente des trous noirs. "Des effets subtils que nous n'avions pas vraiment remarqués auparavant nous donnent des contraintes à partir desquelles nous pouvons glaner des indices sur la façon de monter vers la gravité quantique", a déclaré Alex Lupsasca, un physicien théoricien de l'Université Vanderbilt qui n'a pas participé à la nouvelle recherche.

Ces trous noirs observateurs semblent produire un effet "très saisissant", a déclaré Lupsasca, "parce qu'on a l'impression qu'ils sont profonds".

Trous noirs et superpositions

Pour comprendre comment un trou noir pourrait observer l'univers, commencez petit. Considérez l'expérience classique à double fente, dans laquelle des particules quantiques sont projetées vers deux fentes dans une barrière. Ceux qui passent sont alors détectés par un écran de l'autre côté.

Au début, chaque particule en déplacement semble apparaître au hasard sur l'écran. Mais au fur et à mesure que de plus en plus de particules traversent les fentes, un motif de rayures claires et sombres émerge. Ce modèle suggère que chaque particule se comporte comme des ondes qui traversent les deux fentes à la fois. Les bandes résultent des pics et des creux des ondes qui s'additionnent ou s'annulent - un phénomène appelé interférence.

Ajoutez maintenant un détecteur pour mesurer laquelle des deux fentes la particule traverse. Le motif de rayures claires et foncées disparaîtra. L'acte d'observation change l'état de la particule — sa nature ondulatoire disparaît entièrement. Les physiciens disent que les informations obtenues par l'appareil de détection « décohèrent » les possibilités quantiques en une réalité définie.

Surtout, votre détecteur n'a pas besoin d'être proche des fentes pour déterminer le chemin emprunté par la particule. Une particule chargée, par exemple, émet un champ électrique à longue portée qui peut avoir des intensités légèrement différentes selon qu'elle est passée par la fente de droite ou de gauche. Mesurer ce champ de loin vous permettra tout de même de recueillir des informations sur le chemin parcouru par la particule et provoquera ainsi une décohérence.

En 2021, Wald, Satishchandran et Danielson exploraient un paradoxe provoqué lorsque des observateurs hypothétiques recueillent des informations de cette manière. Ils ont imaginé une expérimentatrice appelée Alice qui crée une particule dans une superposition. Plus tard, elle recherche un motif d'interférence. La particule ne présentera d'interférence que si elle ne s'est pas trop enchevêtrée avec un système extérieur pendant qu'Alice l'observe.

Arrive ensuite Bob, qui tente de mesurer la position de la particule de loin en mesurant les champs à longue portée de la particule. Selon les règles de causalité, Bob ne devrait pas pouvoir influencer le résultat de l'expérience d'Alice, puisque l'expérience devrait être terminée au moment où les signaux de Bob parviennent à Alice. Cependant, selon les règles de la mécanique quantique, si Bob réussit à mesurer la particule, elle s'emmêlera avec lui et Alice ne verra pas de motif d'interférence.

Le trio a rigoureusement calculé que la quantité de décohérence due aux actions de Bob est toujours inférieure à la décohérence qu'Alice provoquerait naturellement par le rayonnement qu'elle émet (qui s'emmêle également avec la particule). Ainsi, Bob ne pourrait jamais décoder l'expérience d'Alice parce qu'elle l'aurait déjà décryptée elle-même. Bien qu'une version antérieure de ce paradoxe ait été résolu en 2018 avec un calcul au fond de l'enveloppe de Wald et d'une autre équipe de chercheurs, Danielson est allé encore plus loin.

Il a proposé une expérience de pensée à ses collaborateurs : « Pourquoi ne puis-je pas mettre le détecteur [de Bob] derrière un trou noir ? » Dans une telle configuration, une particule dans une superposition à l'extérieur de l'horizon des événements émanera des champs qui traversent l'horizon et seront détectés par Bob de l'autre côté, à l'intérieur du trou noir. Le détecteur obtient des informations sur la particule, mais comme l'horizon des événements est un "aller simple", aucune information ne peut être retransmise, a déclaré Danielson. "Bob ne peut pas influencer Alice depuis l'intérieur du trou noir, donc la même décohérence doit se produire sans Bob", a écrit l'équipe dans un e-mail à Quanta. Le trou noir lui-même doit décohérer la superposition.

"Dans le langage plus poétique de l'univers participatif, c'est comme si l'horizon surveillait les superpositions", a déclaré Danielson.

En utilisant cette idée, ils se sont mis à travailler sur un calcul exact de la façon dont les superpositions quantiques sont affectées par l'espace-temps du trou noir. Dans un document publiés sur le serveur de préimpression arxiv.org en janvier, ils ont abouti à une formule simple qui décrit la vitesse à laquelle le rayonnement traverse l'horizon des événements et provoque ainsi la décohérence. "Le fait qu'il y ait eu un effet était, pour moi, très surprenant", a déclaré Wald.

Cheveux à l'horizon

L'idée que les horizons d'événements rassemblent des informations et provoquent une décohérence n'est pas nouvelle. En 2016, Stephen Hawking, Malcolm Perry et Andrew Strominger décrit comment les particules traversant l'horizon des événements pourraient être accompagnées d'un rayonnement de très faible énergie qui enregistre des informations sur ces particules. Cette idée a été suggérée comme solution au paradoxe de l'information sur les trous noirs, une conséquence profonde de la découverte antérieure de Hawking selon laquelle les trous noirs émettent des radiations.

Le problème était que le rayonnement de Hawking draine l'énergie des trous noirs, les faisant s'évaporer complètement avec le temps. Ce processus semblerait détruire toute information tombée dans le trou noir. Mais ce faisant, cela contredirait une caractéristique fondamentale de la mécanique quantique : cette information dans l'univers ne peut être ni créée ni détruite.

Le rayonnement de basse énergie proposé par le trio permettrait de contourner cela en permettant à certaines informations de se répartir dans un halo autour du trou noir et de s'échapper. Les chercheurs ont appelé le halo riche en informations "cheveux doux".

Wald, Satishchandran et Danielson n'étudiaient pas le paradoxe de l'information sur les trous noirs. Mais leur travail utilise des cheveux doux. Plus précisément, ils ont montré que des cheveux mous sont créés non seulement lorsque des particules tombent à travers un horizon, mais lorsque des particules à l'extérieur d'un trou noir se déplacent simplement vers un endroit différent. Toute superposition quantique à l'extérieur s'emmêlera avec des cheveux mous à l'horizon, donnant lieu à l'effet de décohérence qu'ils ont identifié. La superposition est ainsi enregistrée comme une sorte de « mémoire » à l'horizon.

Le calcul est une "réalisation concrète de cheveux doux", a déclaré Daniel Carney, physicien théoricien au Lawrence Berkeley National Laboratory. « C'est un papier cool. Cela pourrait être une construction très utile pour essayer de faire fonctionner cette idée en détail.

Mais pour Carney et plusieurs autres théoriciens travaillant à la pointe de la recherche sur la gravité quantique, cet effet de décohérence n'est pas si surprenant. La nature à longue portée de la force électromagnétique et de la gravité signifie qu '«il est difficile de garder quoi que ce soit isolé du reste de l'univers», a déclaré Daniel Harlow, physicien théoricien au Massachusetts Institute of Technology.

Décohérence totale

Les auteurs argumenter qu'il y a quelque chose d'uniquement "insidieux" dans ce type de décohérence. Habituellement, les physiciens peuvent contrôler la décohérence en protégeant leur expérience de l'environnement extérieur. Un vide, par exemple, supprime l'influence des molécules de gaz à proximité. Mais rien ne peut protéger la gravité, il n'y a donc aucun moyen d'isoler une expérience de l'influence à longue portée de la gravité. "Finalement, chaque superposition sera complètement décohérée", a déclaré Satishchandran. "Il n'y a aucun moyen de contourner cela."

Les auteurs considèrent donc les horizons des trous noirs comme jouant un rôle plus actif dans la décohérence qu'on ne le savait auparavant. "La géométrie de l'univers lui-même, par opposition à la matière qu'il contient, est responsable de la décohérence", ont-ils écrit dans un e-mail à Quanta.

Carney conteste cette interprétation, affirmant que le nouvel effet de décohérence peut également être compris comme une conséquence des champs électromagnétiques ou gravitationnels, en combinaison avec des règles établies par la causalité. Et contrairement au rayonnement de Hawking, où l'horizon du trou noir change avec le temps, dans ce cas, l'horizon "n'a aucune dynamique", a déclaré Carney. « L'horizon ne fait rien en soi ; Je n'utiliserais pas ce langage.

Pour ne pas violer la causalité, les superpositions à l'extérieur du trou noir doivent être décohérées à la vitesse maximale possible à laquelle un observateur hypothétique à l'intérieur du trou noir pourrait collecter des informations à leur sujet. "Cela semble pointer vers un nouveau principe sur la gravité, la mesure et la mécanique quantique", a déclaré Gralla. "Vous ne vous attendez pas à ce que cela se produise plus de 100 ans après la formulation de la gravité et de la mécanique quantique."

Curieusement, ce type de décohérence se produira partout où il existe un horizon qui ne permet à l'information de voyager que dans une seule direction, créant ainsi un potentiel de paradoxes de causalité. Le bord de l'univers connu, appelé l'horizon cosmologique, est un autre exemple. Ou considérez «l'horizon de Rindler», qui se forme derrière un observateur qui accélère et se rapproche continuellement de la vitesse de la lumière, de sorte que les rayons lumineux ne peuvent plus les rattraper. Tous ces « horizons meurtriers » (du nom du mathématicien allemand de la fin du XIXe et du début du XXe siècle Wilhelm tuant) provoquent la décohérence des superpositions quantiques. "Ces horizons vous regardent vraiment exactement de la même manière", a déclaré Satishchandran.

Ce que cela signifie exactement pour le bord de l'univers connu de regarder tout ce qui se trouve à l'intérieur de l'univers n'est pas tout à fait clair. "Nous ne comprenons pas l'horizon cosmologique", a déclaré Lupsasca. "C'est super fascinant, mais bien plus difficile que les trous noirs."

Dans tous les cas, en posant des expériences de pensée comme celle-ci, où la gravité et la théorie quantique entrent en collision, les physiciens espèrent en savoir plus sur le comportement d'une théorie unifiée. "Cela nous donne probablement plus d'indices sur la gravité quantique", a déclaré Wald. Par exemple, le nouvel effet peut aider les théoriciens à comprendre comment l'intrication est liée à l'espace-temps.

"Ces effets doivent faire partie de l'histoire finale de la gravité quantique", a déclaré Lupsasca. «Maintenant, vont-ils être un indice crucial sur le chemin pour glaner un aperçu de cette théorie? Cela vaut la peine d'enquêter.

L'univers participatif

Alors que les scientifiques continuent d'en apprendre davantage sur la décohérence sous toutes ses formes, le concept d'univers participatif de Wheeler devient plus clair, a déclaré Danielson. Toutes les particules de l'univers, semble-t-il, sont dans une superposition subtile jusqu'à ce qu'elles soient observées. La définition émerge à travers les interactions. "C'est un peu ce que, je pense, Wheeler avait en tête", a déclaré Danielson.

Et le constat selon lequel les trous noirs et autres horizons du Killing observent tout, tout le temps, « qu'on le veuille ou non », est « plus évocateur » de l'univers participatif que ne le sont les autres types de décohérence, selon les auteurs.

Tout le monde n'est pas prêt à accepter la philosophie de Wheeler à grande échelle. « L'idée que l'univers s'observe lui-même ? Cela me semble un peu Jedi », a déclaré Lupsasca, qui convient néanmoins que « tout s'observe tout le temps à travers des interactions ».

"Poétiquement, vous pourriez y penser de cette façon", a déclaré Carney. "Personnellement, je dirais simplement que la présence de l'horizon signifie que les champs qui l'entourent vont se coincer à l'horizon d'une manière vraiment intéressante."

Lorsque Wheeler a dessiné le « grand U » pour la première fois lorsque Wald était étudiant dans les années 1970, Wald n'y pensait pas beaucoup. "L'idée de Wheeler m'a semblé pas si solidement ancrée", a-t-il déclaré.

Et maintenant? "Une grande partie de ce qu'il a fait était de l'enthousiasme et quelques idées vagues qui se sont révélées plus tard être vraiment pertinentes", a déclaré Wald, notant que Wheeler avait anticipé le rayonnement de Hawking bien avant que l'effet ne soit calculé.

"Il se voyait comme tenant une lampe pour éclairer les chemins possibles que d'autres personnes pourraient suivre."