Selon Netta Engelhardt, les secrets ne meurent jamais. Pas même dans un trou noir.
Engelhardt est un physicien théoricien du MIT qui étudie la physique complexe dans et autour des trous noirs, à la recherche des ingrédients fondamentaux qui façonnent notre univers. Ce faisant, elle bouleverse les idées populaires dans les domaines de la physique quantique et gravitationnelle.
L’une des plus grandes révélations de son travail à ce jour est la manière dont les informations qui tombent dans un trou noir peuvent éviter d’être perdues à jamais. En 2019, peu avant de rejoindre le MIT, elle et d’autres physiciens ont utilisé des méthodes gravitationnelles pour démontrer que tout ce qui pourrait arriver aux informations contenues dans un trou noir peut en principe être annulé lorsque le trou noir s’évapore.
La conclusion de l’équipe a stupéfié la communauté des physiciens, car elle constituait l’avancée directe la plus quantitative vers la résolution du paradoxe de l’information sur les trous noirs de longue date – une énigme soulevée dans les travaux du physicien Stephen Hawking. Le paradoxe oppose deux théories qui semblent toutes deux vraies : l’une, le pilier de « l’unitarité », qui est le principe selon lequel l’information dans l’univers n’est ni créée ni détruite ; et deuxièmement, un calcul de Hawking à partir de la physique gravitationnelle standard montrant que les informations peuvent en effet être détruites, en particulier lorsqu’elles rayonnent à partir d’un trou noir en évaporation.
«Imaginez que vous aviez un journal et que vous y avez mis le feu dans le laboratoire», explique Engelhardt. « Selon l’unité, si vous connaissiez la dynamique fondamentale de l’univers, vous pourriez prendre les cendres et les faire par ingénierie inverse pour voir le journal et son contenu. Ce serait très difficile, mais vous pourriez le faire. Mais le calcul de Hawking montre que, même si l’on connaissait la dynamique fondamentale de l’univers, on ne pourrait toujours pas procéder à une ingénierie inverse du processus d’évaporation des trous noirs.
Engelhardt, alors à l’Université de Princeton, et ses collègues ont montré que, contrairement aux calculs de Hawking, il est possible d’utiliser la physique gravitationnelle pour voir que le processus d’évaporation des trous noirs conserve en fait des informations.
En tant que membre nouvellement titulaire du corps professoral du MIT, Engelhardt s’attaque désormais à d’autres questions de longue date sur la gravité, dans l’espoir de combler les dernières et plus grandes lacunes dans la compréhension des physiciens de l’univers aux échelles les plus fondamentales.
«En fin de compte, je suis motivé par des questions sur la nature et le fonctionnement de l’univers», explique Engelhardt, aujourd’hui professeur agrégé de physique. « Répondre à ces questions est une vocation. »
Passerelle vers la gravité
Engelhardt est née à Jérusalem, où elle a développé très tôt un intérêt pour tout ce qui concerne la science. Quand elle avait 9 ans, elle et sa famille ont déménagé à Boston, en partie pour que sa mère puisse s’inscrire à un programme de chercheurs invités en linguistique du MIT. Nouveau venu en Amérique et n’ayant appris à lire qu’en hébreu, Engelhardt a passé ses premières semaines à lire tous les livres que la famille avait apportés avec eux, certains d’entre eux atypiques pour un enfant de 9 ans.
« J’ai lu tous les livres qui nous restaient en hébreu, jusqu’à ce qu’il n’en reste finalement plus qu’un, à savoir « Une brève histoire du temps » de Stephen Hawking. »
Le livre de Hawking était la première introduction d’Engelhardt aux trous noirs, au Big Bang, ainsi qu’aux forces fondamentales et aux éléments constitutifs qui façonnent l’univers. Ce qu’elle a trouvé particulièrement passionnant, ce sont les éléments manquants dans la compréhension des physiciens.
«Les gens peuvent passer toute leur vie à chercher des réponses à ces questions fondamentales que je trouve complètement fascinantes», déclare Engelhardt. « D’où vient l’univers ? Quels sont les éléments de base fondamentaux ? Ce sont des questions auxquelles j’ai réalisé que je voulais juste connaître la réponse. Et à partir de ce moment-là, je n’étais pas seulement axé sur la physique – j’étais axé sur la gravité quantique à 9 ans.
Elle a nourri cette étincelle précoce au cours de ses études universitaires, en se spécialisant en physique et en mathématiques à l’Université Brandeis. Elle a ensuite étudié à l’Université de Californie à Santa Barbara, où elle a poursuivi un doctorat en physique et a véritablement commencé à creuser le mystère de la gravité quantique, un domaine qui cherche à décrire les effets de la gravité selon les principes de la mécanique quantique.
La théorie de la mécanique quantique constitue un modèle remarquablement efficace pour décrire les interactions dans la nature à l’échelle des atomes et à des échelles plus petites. Ces interactions quantiques sont régies par trois des quatre forces fondamentales connues des physiciens. Mais la quatrième force, la gravité, a échappé à toute explication mécanique quantique, en particulier dans les situations où l’effet de la gravité est écrasant, comme dans les profondeurs des trous noirs.
Dans des régimes aussi extrêmes, il n’existe aucune prédiction sur le comportement de la matière et de la gravité. Une telle théorie compléterait la compréhension des physiciens du fonctionnement de l’univers aux échelles les plus fondamentales.
Pour Engelhardt, la gravité quantique est également une porte d’entrée vers d’autres questions mystérieuses auxquelles il faut répondre. Par exemple, la manière dont l’espace et le temps émergent de quelque chose d’encore plus fondamental. Engelhardt a consacré une grande partie de ses travaux d’études supérieures à des questions sur la géométrie de l’espace-temps et sur la manière dont sa courbure peut émerger de quelque chose de plus fondamental, tel que décrit par la gravité quantique.
« Ce sont de grandes questions à résoudre », admet Engelhardt. « La plus grande partie de mon temps est consacrée à réfléchir, hmm, comment puis-je prendre cette vague intuition et la condenser en une question à laquelle on peut répondre concrètement, quantitativement ? Cela représente une grande partie des progrès que vous pouvez réaliser.
Une empreinte de trou noir
En 2014, à mi-chemin de ses travaux de doctorat, Engelhardt a adapté l’une de ses questions sur la gravité quantique et l’émergence de l’espace-temps à un problème spécifique : comment calculer les corrections quantiques de l’entropie des systèmes gravitationnels.
“Il existe des surfaces (dans l’espace-temps) qui sont sensibles à la gravitation (courbure) appelées surfaces extrémales”, explique Engelhardt. « Il existait déjà une formule utilisant de telles surfaces pour calculer l’entropie des systèmes gravitationnels en l’absence d’effets quantiques. Mais dans une gravité quantique réaliste, il existe des effets quantiques, et je voulais une formule qui en tienne compte.
Elle et le postdoctorant Aron Wall ont travaillé à la construction d’une équation générale qui décrirait comment l’entropie des régions gravitationnelles devrait être calculée lorsque les effets quantiques sont pris en compte. Le résultat : des surfaces quantiques extrêmes, une généralisation quantique des anciennes surfaces classiques.
À l’époque, l’exercice était purement théorique, car les effets quantiques de la plupart des processus dans l’univers sont trop faibles pour faire osciller ne serait-ce que légèrement l’espace-temps environnant. Leur nouvelle équation reposerait donc sur des prédictions similaires à celles de leur contrepartie purement classique.
Mais en 2019, alors qu’il était postdoctorant à Princeton, Engelhardt et d’autres ont réalisé que cette équation pourrait donner une prédiction très différente de ce qu’une surface quantique extrême pourrait faire et de ce que serait l’entropie gravitationnelle quantique correspondante, dans une situation spécifique : comme une surface noire. le trou s’évapore. De plus, ce que prédit l’équation pourrait être la clé pour résoudre le paradoxe de longue date de l’information sur les trous noirs.
«C’était un moment très dramatique», se souvient-elle. “Tout le monde travaillait 24 heures sur 24 pour essayer de comprendre cela, sans vraiment dormir la nuit parce que nous étions tellement excités.”
Après trois semaines de privation de sommeil, les physiciens étaient convaincus qu’ils avaient fait un pas spectaculaire vers la résolution du paradoxe : alors qu’un trou noir s’évapore et libère un rayonnement sous une forme brouillée de l’information qui y était initialement tombée, un nouveau trou quantique totalement non classique une surface extrême émerge, entraînant une entropie gravitationnelle qui diminue à mesure que davantage d’informations rayonnent. Ils ont estimé que cette surface pouvait servir d’empreinte à l’information rayonnée, qui pourrait en principe être utilisée pour reconstruire l’information originale, dont Stephen Hawking avait démontré qu’elle serait perdue à jamais.
« C’était un Eurêka ! moment », dit-elle. « Je me souviens d’être rentré chez moi en rentrant chez moi, d’avoir pensé, et peut-être même d’avoir dit à voix haute : « Je pense que ça y est ! »
On ne sait pas encore clairement ce que Hawking calculait réellement pour supposer le contraire. Mais Engelhardt considère que le paradoxe est presque résolu, du moins dans ses grandes lignes, et le travail de son équipe a résisté à des contrôles répétés et à un examen minutieux. En attendant, elle s’est tournée vers d’autres questions.
Piliers de test
La percée d’Engelhardt a eu lieu en mai 2019. Deux mois plus tard, elle s’est rendue à Cambridge pour commencer son poste de professeur au MIT. Elle a visité le campus pour la première fois et a passé un entretien pour le poste en 2017.
« Il y avait un enthousiasme palpable pour la science au Centre de physique théorique, et on le ressent partout : il imprègne l’Institut », se souvient-elle. “C’était l’une des raisons pour lesquelles je voulais être au MIT.”
Le poste lui a été proposé, qu’elle a accepté et a choisi de reporter d’un an pour terminer son postdoctorat à Princeton. En juillet 2019, elle a débuté au MIT en tant que professeur adjoint de physique.
Au début sur le campus, alors qu’elle créait son groupe de recherche, Engelhardt a suivi le paradoxe de l’information sur les trous noirs, pour voir si elle pouvait découvrir non seulement comment Hawking s’était trompé, mais aussi ce qu’il calculait réellement, sinon l’entropie. du rayonnement.
“En fin de compte, si vous voulez vraiment résoudre le paradoxe, nous devons expliquer quelle était l’erreur de Hawking”, dit Engelhardt.
Son intuition est qu’il calculait en quelque sorte une quantité complètement différente. Elle pense que les travaux de Hawking, qui ont soulevé le paradoxe au départ, auraient pu calculer un type différent d’entropie gravitationnelle, qui semble entraîner une perte d’informations lorsqu’elle avance lorsqu’un trou noir s’évapore. Cependant, cette autre forme d’entropie gravitationnelle ne correspond pas au contenu informationnel et son augmentation ne serait donc pas paradoxale.
Aujourd’hui, elle et ses étudiants étudient des questions liées à la gravité quantique ainsi qu’un concept plus épineux lié aux singularités – des cas où un objet tel qu’une étoile s’effondre dans une région si intense sur le plan gravitationnel qu’il détruit l’espace-temps lui-même. Historiquement, les physiciens ont prédit que les singularités ne devraient être présentes que derrière l’horizon des événements d’un trou noir, bien que d’autres aient vu des indices suggérant qu’elles existaient en dehors de ces limites gravitationnelles.
« Une grande partie de mon travail consiste désormais à comprendre combien de piliers de la physique gravitationnelle ne sont tout simplement pas vrais tels que nous les comprenons actuellement », dit-elle. “Répondre à ces questions est la motivation ultime.”
2024-04-09 07:00:00
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