Un modèle mathématique suggère que lorsqu’une paire de trous noirs s’entremêlent quantiquement, cela peut donner naissance à un tunnel spatio-temporel grumeleux entre eux.
Parfois, les trous de ver sont grumeleux
Que se passe-t-il lorsque deux trous noirs sont reliés par un lien quantique inextricable ? Les calculs suggèrent que cela peut donner naissance à un tunnel spatio-temporel irrégulier appelé « chenille d’Einstein-Rosen ».
Le nom d'Albert Einstein relie deux bizarreries physiques très différentes : la première est appelée pont d'Einstein-Rosen – un trou de ver, ou tunnel qui relie des points lointains de l'espace-temps – et la seconde est connue sous le nom de paire Einstein-Podolsky-Rosen, dans laquelle deux particules sont reliées par une propriété indissociable appelée intrication quantique. En 2013, les physiciens Juan Maldacena de l'Université de Princeton dans le New Jersey et Leonard Susskind de l'Université de Stanford en Californie ont suggéré que lorsqu'il s'agissait de trous noirs, les deux pouvaient être équivalents.
Brian Swingle de l'Université Brandeis dans le Massachusetts et ses collègues ont découvert que cela n'était peut-être vrai que dans certains cas. Ils ont analysé mathématiquement un ensemble de trous noirs intriqués et ont découvert que la situation est plus complexe – et plus inégale – qu’il n’y paraissait auparavant.
Swingle affirme que l'étude des trous de ver qui relient les trous noirs quantiquement intriqués aide en fin de compte les chercheurs à mieux comprendre l'intérieur des trous noirs, qui sont des endroits mal compris et pleins de mystère en raison de la force remarquable avec laquelle la gravité y agit. Les modèles mathématiques montrent que la taille de l'intérieur d'un trou noir correspond à sa complexité – à quel point il est compliqué au niveau de ses éléments de base quantiques. Les chercheurs se sont demandés s’il existait une règle similaire pour les trous de ver reliant une paire de trous noirs.
Il s'agit d'une tâche difficile, car une compréhension complète de l'intrication des trous noirs nécessiterait une théorie complète de la gravité quantique, que les physiciens n'ont pas encore formulée. Au lieu de cela, l'équipe a utilisé un modèle qui relie la physique quantique et la gravité de manière incomplète, mais qui devrait ressembler suffisamment à la réalité pour offrir des informations précieuses, explique Swingle.
Lui et ses collègues ont découvert une correspondance mathématique entre la quantité de hasard quantique microscopique contenue dans un trou de ver et sa longueur géométrique. Leurs calculs ont révélé qu’un trou de ver typique est moins susceptible d’être lisse et plus susceptible de contenir des bosses constituées de matière, une caractéristique qui lui a valu la comparaison avec une chenille. Swingle dit que cela diffère du résultat de 2013, qui peut s'appliquer à des cas particuliers, et donc moins courants, où l'état intriqué des trous noirs a conduit à un trou de ver lisse entre les deux.
Donald Marolf, de l'Université de Californie à Santa Barbara, affirme que les nouveaux travaux ajoutent des informations sur les trous noirs intriqués, mais ne décrivent toujours pas le cas le plus courant d'un tel intrication. Il dit que la collection de tous les états théoriquement possibles des trous noirs est plutôt grande – plus grande que tous les trous noirs qui existent dans notre univers – et qu’il faudra des recherches plus théoriques pour dire avec certitude quel type d’état connecté est le plus susceptible d’être supposé par une paire de trous noirs.
Une partie de ces futures recherches pourrait inclure l’utilisation d’ordinateurs quantiques comme simulateurs de trous noirs cosmiques et de trous de ver de chenille, explique Swingle. Étant donné que l'approche de son équipe comprenait la connexion d'une théorie quantique simplifiée et d'une théorie de la gravité, une fois que les ordinateurs quantiques deviendront plus puissants et plus fiables, il pourrait être possible de les utiliser pour en apprendre davantage sur la théorie quantique et sur de nouvelles idées sur la gravité, dit-il. Le nouveau calcul utilise déjà certains éléments de la théorie de l’information quantique. Il pourrait donc y avoir des développements passionnants dans l’autre sens, où l’étude des mystères de la gravité inspirerait de nouveaux algorithmes d’informatique quantique, explique Swingle.
