Le paradoxe de l’information sur les trous noirs de Stephen Hawking pourrait être résolu si l’univers avait 7 dimensions

Une nouvelle étude théorique suggère que trous noirs ne s’évaporera peut-être jamais complètement, ce qui contredit une tristement célèbre théorie de Stephen Hawking qui semble violer les lois fondamentales de la mécanique quantique. Au lieu de cela, les trous noirs pourraient laisser derrière eux de minuscules restes stables qui stockent toutes les informations qu’ils consommaient autrefois, suggère l’étude.

Mais il y a une différence – littéralement. Pour que la théorie fonctionne, l’univers doit avoir trois dimensions cachées supplémentaires que les humains ne peuvent pas percevoir, ce qui rend l’espace-temps à sept dimensions. Lorsque ces dimensions cachées se plient et se tordent, elles créent une force répulsive qui empêche les trous noirs de s’évaporer complètement.

Le travail, bien que difficile à tester directement, relie les trous noirs à la géométrie des dimensions supplémentaires, offrant une nouvelle approche de l’une des énigmes les plus profondes de la physique.

Un paradoxe qui remet en question les fondements de la physique

Trous noirs sont souvent considérés comme des pièges cosmiques desquels rien n’échappe. Pourtant, depuis les années 1970, les physiciens savent que ces monstres cosmiques ne sont pas entièrement noirs. Le célèbre physicien théoricien Stephen Hawking a proposé que les trous noirs émettre un rayonnement et s’évaporent lentement avec le temps, ce qui conduit à une contradiction troublante connue sous le nom de paradoxe de la perte d’informations.

« Imaginez que vous jetiez un livre au feu », co-auteur de l’étude Richard Pinčákchercheur principal à l’Institut de physique expérimentale de l’Académie slovaque des sciences, a déclaré à Live Science par e-mail. « Le livre est détruit, mais en principe, vous pouvez reconstituer chaque mot à partir de la fumée, des cendres et de la chaleur : les informations sont brouillées et non perdues. »

Mais lorsqu’un trou noir s’évapore complètement, les informations sur tout ce qui y est tombé semblent disparaître, violant ainsi un principe fondamental de la mécanique quantique.

Pendant des décennies, les physiciens ont lutté pour résoudre ce paradoxe. Maintenant, la nouvelle étude, publiée le 19 mars dans la revue Relativité générale et gravitationsuggère que la réponse pourrait résider dans la structure cachée de l’espace-temps lui-même.

Dimensions supplémentaires et structure cachée de l’espace-temps

La nouvelle recherche explore un univers avec plus de dimensions que les quatre habituelles. Dans ce cadre, le cosmos contient sept dimensions, dont trois sont compactes et invisibles à l’échelle quotidienne.

« Nous faisons l’expérience de trois dimensions d’espace et d’une dimension de temps, soit quatre dimensions au total », a déclaré Pinčák. « Notre modèle propose que l’univers ait en réalité sept dimensions : les quatre que nous connaissons, plus trois minuscules dimensions supplémentaires si étroitement recroquevillées que nous ne pouvons pas les percevoir directement. »

Ces dimensions supplémentaires sont disposées dans une structure hautement symétrique connue sous le nom de géométrie G₂. Ce cadre mathématique, souvent exploré dans des théories avancées telles qu’une version de théorie des cordes connue sous le nom de théorie M, détermine comment les dimensions cachées sont « pliées ».

« Pensez-y comme à l’origami », a déclaré Pinčák. « La façon dont vous pliez le papier détermine ce que la forme finale peut faire. »

Dans le nouveau modèle, cette structure géométrique produit un effet physique appelé torsion, qui peut être considéré comme une torsion de l’espace-temps. Ce champ de torsion s’avère jouer un rôle crucial dans la physique des trous noirs.

Torsion et naissance de restes stables de trous noirs

L’étude montre que la torsion génère une force répulsive qui devient importante à des échelles extrêmement petites, vers la fin de la vie d’un trou noir. À mesure que le trou noir rétrécit grâce au rayonnement de Hawking, cette force finit par contrecarrer un nouvel effondrement.

« Cette force répulsive agit comme un frein, stoppant l’évaporation avant que le trou noir ne disparaisse complètement », a expliqué Pinčák.

Au lieu de disparaître, le trou noir se stabilise en un minuscule vestige. Selon le modèle, cet objet restant a une masse d’environ 9 × 10⁻⁴¹ kilogrammes, soit environ 10 milliards de fois plus petite qu’un électron.

Surtout, ce reste peut stocker les informations tombées dans le trou noir, évitant ainsi toute violation de la mécanique quantique. Les informations sont codées dans des oscillations subtiles appelées modes quasinormaux, qui agissent comme porteurs des données perdues.

Le modèle révèle également un lien inattendu avec physique des particules: L’existence de trois dimensions cachées, associée à la présence de torsion, produit le modèle d’interactions de particules responsable du mécanisme de Higgs, le phénomène qui donne de la masse aux particules élémentaires comme les électrons et les quarks.

« Le même champ de torsion… génère un paysage énergétique potentiel dont la forme est identique à celui responsable de la masse des bosons W et Z, porteurs de la force nucléaire faible », a déclaré Pinčák.

Ce lien relie le comportement des trous noirs à l’échelle électrofaible, une échelle d’énergie bien connue en physique des particules.

Là où la nouvelle théorie atteint ses limites

Malgré son attrait, le modèle se heurte à des défis importants. La description standard de l’évaporation des trous noirs repose sur une approximation semi-classique, qui devrait s’effondrer à des échelles extrêmement petites près de la masse de Planck – environ 10^-5 grammes. Il s’agit de l’échelle de masse à laquelle les effets gravitationnels quantiques deviennent forts et impossibles à ignorer.

« Alors que le trou noir se rapproche de l’échelle de Planck, tous les modèles existants – y compris le nôtre – doivent éventuellement faire face à la transition vers le régime de gravité quantique profonde », a noté Pinčák.

Dans ce régime, un plein théorie de la gravité quantique est nécessaire, mais une telle théorie reste incomplète. Le nouveau travail ne prétend pas résoudre entièrement ce problème. Au lieu de cela, il fournit un mécanisme concret sur la façon dont une nouvelle physique pourrait émerger au stade final de l’évaporation.

« Ce qui distingue notre approche, c’est que nous ne prétendons pas que l’évaporation semi-classique opère jusqu’à la masse résiduelle », a déclaré Pinčák. « A ce moment-là, un nouvel effet physique… prend le relais et stabilise la configuration. »

Tester directement la théorie sera extrêmement difficile ; les échelles d’énergie pertinentes sont bien au-delà de la portée des accélérateurs de particules actuels. Cependant, le modèle fait des prédictions claires qui pourraient, en principe, être testées.

Par exemple, il prédit que les particules hypothétiques de Kaluza-Klein associées à des dimensions supplémentaires devraient avoir des masses d’environ 10¹⁶ gigaélectronvolts, soit environ 14 ordres de grandeur de plus que le quark top, la particule élémentaire connue la plus massive. Détecter des versions plus légères de ces particules avec les accélérateurs actuels ou futurs exclurait le modèle.

Une autre possibilité consiste à observer les dernières étapes de l’évaporation des trous noirs, notamment pour les trous noirs primordiaux. Les futurs télescopes à rayons gamma ou détecteurs d’ondes gravitationnelles pourraient fournir des preuves indirectes de la présence de restes stables.

« Le point important est que les prédictions soient concrètes : le modèle peut être erroné, c’est ce qui le rend scientifique », a déclaré Pinčák.

Pour l’avenir, les chercheurs visent à connecter leur cadre plus directement aux théories fondamentales telles que la théorie M et à mieux comprendre comment les informations sont stockées dans les restes. Si elle est confirmée, l’idée selon laquelle les trous noirs laissent derrière eux de minuscules restes riches en informations pourrait remodeler notre compréhension de la gravité, de la mécanique quantique et de la structure fondamentale de l’univers.

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