Une écoute qui se cache à l'intérieur d'un trou noir pourrait encore obtenir des informations sur les objets quantiques à l'extérieur, une constatation qui révèle à quel point les trous noirs détruisent efficacement les états quantiques près de leurs horizons d'événement
Un observateur se cachant à l'intérieur d'un trou noir peut écouter des objets quantiques à l'extérieur
L'écoute quantique est possible à travers l'horizon de l'événement d'un trou noir, l'une des limites cosmiques les plus imperméables – du moins dans une direction.
Daine Danielson à l'Université de Chicago, Illinois, voulait savoir comment la structure de l'espace-temps, le tissu de notre réalité, influence les objets quantiques. Cela l'a conduit, lui et ses collègues, à une expérience de pensée où deux personnes, Alice et Bob, finissent par se séparer par l'un des objets les plus extrêmes de l'espace-temps.
Alice a un objet quantique et le place dans une «superposition», qui combine deux de ses états ordinaires d'une manière qui ne peut exister que dans le domaine quantique. Bob veut obtenir secrètement des informations sur l'objet d'Alice. « Il ne veut pas se faire prendre, mais il est intelligent et il se rend compte qu'il pourrait se cacher à l'intérieur d'un trou noir », explique Danielson. Les physiciens conviennent que les informations ne peuvent pas échapper à un trou noir, mais Danielson et son équipe voulaient savoir si Bob pouvait encore atteindre son objectif. Ils sont arrivés à un «oui» mathématiquement rigoureux en se tournant vers la théorie de l'information quantique.
Les superpositions quantiques sont fragiles, donc les influences extérieures, telles que les petites perturbations de l'environnement ou les mesures par des agents néfastes comme Bob, peuvent les faire passer de la superposition à un seul état non mélangé. Ce processus est appelé décohérence.
Les chercheurs ont prouvé mathématiquement que les informations que Bob peut obtenir de l'intérieur du trou noir correspond exactement à l'étendue de la décohérence qu'Alice observerait dans son objet à l'extérieur. Danielson a présenté les travaux le 17 mars à l'American Physical Society Global Physics Summit en Californie.
Leurs calculs ont montré que lorsque BOB perturbe l'état quantique de l'objet d'Alice, il se tenait toujours à Alice comme s'il en extrait autant d'informations que la physique. Danielson dit que cela nous dit deux choses sur les trous noirs. Étonnamment, cela implique que chaque trou noir doit décohére les superpositions à proximité. En effet, si Alice pouvait en déduire que la décohérence qu'elle voit est due à l'écoute de Bob, alors elle apprendrait quelque chose de définitif sur l'intérieur du trou noir, qui doit toujours rester caché selon nos meilleures théories de gravité. Il nous indique également que les trous noirs doivent s'effondrer les états quantiques autour d'eux en extrayant autant d'informations possibles.
Alex Lupsasca à l'Université Vanderbilt au Tennessee dit que les chercheurs savaient déjà que les trous noirs sont des champions de comportements cosmiques extrêmes, mais le nouveau travail pointe vers «une autre manière dont ils sont les meilleurs dans tout ce qu'ils font: les trous noirs peuvent détruire les superpositions quantiques avec leur forte gravité, et ils le font de la manière la plus rapide possible».
L'équipe suggère également que ce processus nécessite que des particules extrêmement faibles existent partout dans l'espace autour des trous noirs. Lupsasca dit que l'étude de ces particules devrait faire partie des efforts pour formuler une théorie de la gravité quantique – la combinaison insaisissable de la théorie quantique et la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein en une théorie de tout.
«Étant donné que les trous noirs jouent un rôle si important dans les principales questions ouvertes sur la gravité quantique, il est important d'avoir une compréhension claire de la façon dont leurs effets quantiques diffèrent de ceux des organes ordinaires», explique Sam Gralla à l'Université de l'Arizona. Il dit que les théories des candidats pour la gravité quantique pourraient être testées et complétées par rapport aux calculs des chercheurs.
Pour Danielson, le nouveau travail est une étape vers la connexion de la structure de l'espace-temps au flux d'informations quantiques. Par exemple, si Bob se cachait à l'intérieur d'une coquille sphérique faite de matière ordinaire au lieu d'un trou noir, le flux d'informations entre lui et Alice différerait. Cela peut signifier que la structure de l'espace-temps n'est pas fondamentale, mais une conséquence des lois qui régissent la façon dont les informations quantiques peuvent être échangées. «Il y a un espoir que cela pourrait nous donner un aperçu de la façon dont l'espace et le temps eux-mêmes pourraient émerger des principes théoriques de l'information», explique Danielson.
