Scientists work on the boundaries of the unknown, where every new piece of knowledge forms a path into a void of uncertainty. And nothing is more uncertain– or potentially enlightening– than a paradox. Throughout history, paradoxes have threatened to undermine everything we know, and just as often, they’ve reshaped our understanding of the world. Today, one of the biggest paradoxes in the universe threatens to unravel the fields of general relativity and quantum mechanics: the black hole information paradox.
Les scientifiques travaillent aux frontières de l'inconnu, où chaque nouvelle connaissance forme un chemin vers un vide d'incertitude. Et rien n'est plus incertain - ou potentiellement parlant - qu'un paradoxe. Á travers l'histoire, les paradoxes ont menacé d'ébranler tout ce que nous savons, et tout aussi souvent, ils ont remodelé notre compréhension du monde. Aujourd'hui, l'un des plus grands paradoxes de l'univers menace de réduire à néant les domaines de la relativité générale et de la mécanique quantique :
To understand this paradox, we first need to define what we mean by "information." Typically, the information we talk about is visible to the naked eye. For example, this kind of information tells us that an apple is red, round, and shiny. But physicists are more concerned with quantum information. This refers to the quantum properties of all the particles that make up that apple, such as their position, velocity and spin. Every object in the universe is composed of particles with unique quantum properties.
le paradoxe de l'information du trou noir. Pour comprendre ce paradoxe, nous devons d'abord définir ce que nous entendons par « information ». Généralement, l'information dont nous parlons est visible à l’œil nu. Par exemple, ce genre d'informations nous indique qu'une pomme est rouge, ronde, et brillante. Mais les physiciens s'intéressent davantage à l'information quantique. Il s'agit des propriétés quantiques de toutes les particules qui composent cette pomme, telles que leur position, leur vitesse et leur rotation. Chaque objet de l'univers est composé de particules aux propriétés quantiques uniques.
This idea is evoked most significantly in a vital law of physics: the total amount of quantum information in the Universe must be conserved. Even if you destroy an object beyond recognition, its quantum information is never permanently deleted. And theoretically, knowledge of that information would allow us to recreate the object from its particle components. Conservation of information isn’t just an arbitrary rule, but a mathematical necessity, upon which much of modern science is built. But around black holes, those foundations get shaken.
Cette idée est évoquée plus significativement dans une loi vitale de la physique : « La quantité totale d'informations quantiques dans l'Univers doit être conservée. » Même si vous détruisez totalement un objet, ses informations quantiques ne sont jamais effacées définitivement. Et en théorie, la connaissance de cette information nous permettrait de recréer l'objet à partir de ses composants particulaires. La conservation de l'information n'est pas juste une règle arbitraire, mais une nécessité mathématique, sur laquelle repose une grande partie de la science moderne. Mais autour des trous noirs, ces fondations sont ébranlées.
When an apple enters a black hole, it seems as though it leaves the universe, and all its quantum information becomes irretrievably lost. However, this doesn’t immediately break the laws of physics. The information is out of sight, but it might still exist within the black hole’s mysterious void. Alternatively, some theories suggest that information doesn’t even make it inside the black hole at all. Seen from outside, it’s as if the apple’s quantum information is encoded on the surface layer of the black hole, called the event horizon. As the black hole’s mass increases, the surface of the event horizon increases as well. So it’s possible that as a black hole swallows an object, it also grows large enough to conserve the object’s quantum information. But whether information is conserved inside the black hole or on its surface, the laws of physics remain intact– until you account for Hawking Radiation.
Lorsqu'une pomme entre dans un trou noir, il semblerait qu'elle quitte l'univers, et que toutes ses informations quantiques soient irréparablement perdues. Cependant, cela ne brise pas immédiatement les lois de la physique. L'information est hors de vue, mais elle peut encore exister dans le vide mystérieux du trou noir. Parallèlement, certaines théories suggèrent que cette information ne parvient même pas à l'intérieur du trou noir. Vu de l'extérieur, c'est comme si l'information quantique de la pomme était codée sur la couche superficielle du trou noir, appelée l'horizon des événements. Plus la masse du trou noir augmente, plus la surface de l'horizon des événements augmente également. Il est donc possible qu'à mesure qu'un trou noir avale un objet, il devienne assez grand pour conserver l'information quantique de l'objet. Mais que l'information soit conservée à l'intérieur du trou noir ou à sa surface, les lois de la physique restent intactes - jusqu'à ce que vous preniez en compte le rayonnement de Hawking.
Discovered by Stephen Hawking in 1974, this phenomenon shows that black holes are gradually evaporating. Over incredibly long periods of time black holes lose mass as they shed particles away from their event horizons. Critically, it seems as though the evaporating particles are unrelated to the information the black hole encodes– suggesting that a black hole and all the quantum information it contains could be completely erased.
Découvert par Stephen Hawking en 1974, ce phénomène montre que les trous noirs s'évaporent progressivement. Sur des périodes incroyablement longues, les trous noirs perdent de la masse à mesure qu'ils relâchent des particules de leur horizon des événements. D'un point de vue critique, il semblerait que les particules évaporées ne soient plus liées à l'information que le trou noir code - suggérant qu'un trou noir et toute l'information quantique qu'il contient
Does that quantum information truly disappear? If not, where does it go? While the evaporation process would take an incredibly long time, the questions it raises for physics are far more urgent. The destruction of information would force us to rewrite some of our most fundamental scientific paradigms. But fortunately, in science, every paradox is an opportunity for new discoveries.
pourraient être complètement effacés. L'information quantique disparaît-elle vraiment ? Si ce n'est pas le cas, où va-t-elle ? Bien que le processus d'évaporation prendrait un temps incroyablement long, les questions qu'il soulève pour la physique sont bien plus urgentes. La destruction de l'information nous obligerait à réécrire certains de nos paradigmes scientifiques les plus fondamentaux. Mais heureusement, en science, chaque paradoxe est une opportunité pour de nouvelles découvertes.
Researchers are investigating a broad range of possible solutions to the Information Paradox. Some have theorized that information actually is encoded in the escaping radiation, in some way we can’t yet understand. Others have suggested the paradox is just a misunderstanding of how general relativity and quantum field theory interact. Respectively, these two theories describe the largest and smallest physical phenomena, and they’re notoriously difficult to combine. Some researchers argue that a solution to this and many other paradoxes will come naturally with a “unified theory of everything.” But perhaps the most mind-bending theory to come from exploring this paradox is the holographic principle. Expanding on the idea that the 2D surface of an event horizon can store quantum information, this principle suggests that the very boundary of the observable universe is also a 2D surface encoded with information about real, 3D objects. If this is true, it’s possible that reality as we know it is just a holographic projection of that information.
Les chercheurs enquêtent sur un large éventail de solutions possibles au paradoxe de l'information. Certains ont émis l'hypothèse que l'information est codée dans le rayonnement qui s'échappe, d'une façon que nous ne comprenons pas encore. D'autres ont suggéré que le paradoxe n'est qu'une mauvaise compréhension dont la relativité générale et la théorie des champs quantiques interagissent. Respectivement, ces deux théories décrivent les phénomènes physiques les plus grands et les plus petits, et ils sont notoirement difficiles à combiner. Certains chercheurs soutiennent que la solution à ce paradoxe et à de nombreux autres viendra naturellement avec une « une théorie unifiée du tout ». Mais la théorie la plus époustouflante de l'exploration de ce paradoxe est peut-être le principe holographique. Développant l'idée que la surface 2D d'un horizon des événements peut stocker des informations quantiques, ce principe suggère que la limite même de l'univers observable est aussi une surface 2D codée avec des informations d'objets 3D réels. SI cela s'avère vrai, il est possible que la réalité telle que nous la connaissons ne soit qu'une projection holographique de ces informations.
If proven, any of these theories would open up new questions to explore, while still preserving our current models of the universe. But it’s also possible that those models are wrong! Either way, this paradox has already helped us take another step into the unknown.
Si cela est prouvé, l'une ou l'autre de ces théories soulèverait de nouvelles questions à explorer, tout en préservant nos modèles actuels de l'univers. Mais il est aussi possible que ces modèles soient faux ! Quoi qu'il en soit, ce paradoxe nous a déjà aidés à faire un pas de plus