Les scientifiques utilisent des éléments de la solution holographique de Haramein quant à la gravité quantique pour résoudre le paradoxe de la perte d’information des trous noirs.
Dans notre expérience quotidienne, la caractéristique de la localité dans l’espace-temps semble être une caractéristique indélébile d’une réalité rationnelle ; l’idée que les effets suivent leurs causes nous donne le sentiment (bien qu’illusoire) qu’il existe une chronologie naturelle dans notre réalité. D’après la théorie de la relativité, nous savons que la simultanéité de la relativité exige qu’aucun signal ou information ne voyage plus vite que la vitesse de la lumière. Les signaux plus rapides que la lumière, ou superluminaux, donnent lieu à des courbes temporelles fermées et, dans le cadre de la relativité générale, les boucles fermées temporelles peuvent rompre la causalité avec des conséquences remarquables et troublantes. Au niveau classique, elles induisent des paradoxes causaux suffisamment troublants pour motiver des conjectures qui empêchent explicitement leur existence (conjecture de protection de la chronologie de Hawking). Par exemple, si un signal voyageait plus vite que la vitesse de la lumière, un effet pourrait précéder sa cause ; ainsi, un vaisseau spatial superluminal pourrait faire un voyage aller-retour et revenir dans un cadre de référence d’où il n’est pas encore parti. Cependant, de tels paradoxes causaux, comme l’arrivée de notre vaisseau spatial FTL avant son départ, sont une interprétation erronée des boucles fermées temporelles de la relativité (voir, par exemple, l’explication de Hossenfelder intitulée « I Think Faster Than Light Travel is Possible, Here’s Why »).
Le défi conceptuel de la non-localité s’étend également à la mécanique quantique, dans laquelle les théories ontiques qui postulent un réalisme non local – où les particules existent réellement avant la réduction de l’état ou « effondrement de la fonction d’onde » – sont considérées comme incompatibles avec la relativité en raison de l’apparente mise à jour superluminale de l’état, et donc les interprétations qui sont locales mais qui nient les particules réelles avant la réduction du vecteur d’état sont préférées, comme le modèle de Bohr-Heisenberg de l’interprétation de Copenhague. Néanmoins, la non-localité est compatible avec les connaissances scientifiques actuelles. Les courbes temporelles fermées sont des solutions valides des équations d’Einstein dans la relativité générale. Ainsi, les auteurs du paradoxe du pare-feu AMPS, qui a été posé dans le but de préserver la localité tout en fournissant un mécanisme pour préserver l’information quantique, ont renoncé à cette conjecture et résolu le paradoxe AMPS en permettant une action non locale via les ponts d’Einstein-Rosen. Même si la localité et la structure causale classique semblent indélébiles dans notre raisonnement, il semble que nous devions accepter que la physique quantique et la théorie de la relativité possèdent toutes deux des propriétés qui permettent des interactions non locales : dans la première, il y a les corrélations d’Einstein Podolsky Rosen (EPR), et dans la seconde, il y a les ponts d’Einstein Rosen (ERb), plus connus sous le nom de « trous de ver ».
Comme l’indiquent les noms de ces comportements non locaux, ils ont été proposés et décrits pour la première fois par Einstein et ses collègues. Einstein, Podolsky et Rosen ont mis en lumière les corrélations EPR, ou l’intrication quantique comme on l’appelle plus communément, pour montrer comment certaines solutions de la mécanique quantique, comme la superposition de la fonction d’onde, doivent être erronées, car elles semblent permettre une interconnexion instantanée, ce qui nécessiterait un signal plus rapide que la lumière [1]. Il est intéressant de noter qu’Einstein et Rosen ont également proposé et décrit par la suite le processus physique par lequel l’intrication quantique peut se produire sans violation de la limite de la vitesse de la lumière, et ce par le biais des ERbs, une géométrie de pont dans l’espace-temps entre deux univers qu’ils ont découvert à l’origine comme une solution au problème des particules dans la théorie générale de la relativité, qui résulte des singularités des particules ponctuelles telles que l’électron – ils décrivaient les particules fondamentales comme des trous de ver [2].
Si les particules fondamentales sont des trous de ver quantiques, la connexion non locale « étrange » entre elles (intrication) peut être le résultat de leur géométrie spatio-temporelle ERb. Les physiciens Juan Maldacena et Leonard Susskind ont résumé cette idée par ERb = EPR [3], ce qui signifie que l’intrication quantique est le résultat de connexions de trous de ver dans l’espace-temps, ou que l’espace est multiplié par des cadres spatio-temporels quantiques enchevêtrés. Bien que ERb et EPR semblent tous deux permettre la non-localité, il n’est pas certain que les trous de ver soient effectivement traversables (bien que de nombreuses études aient montré qu’ils pourraient potentiellement l’être), de sorte qu’aucun mécanisme viable n’a été imaginé pour utiliser l’intrication quantique en vue de la transmission de signaux superluminaux :
Dans ce travail, nous décrivons un nouveau paradoxe quantique-mécanique dans lequel la présence ou l’absence d’une figure d’interférence dans un système à deux photons, avec une intrication variable contrôlée par le choix de la mesure, semblerait permettre un signal rétrocausal d’un observateur à l’autre. Nous présentons également une analyse de ce schéma, montrant comment les subtilités du formalisme quantique bloquent le signal potentiel. En particulier, même lorsque les schémas d’interférence peuvent être activés et désactivés, il existe toujours un schéma d’interférence « signal » et un schéma d’interférence « anti-signal » qui masquent toute interférence observable lorsqu’ils sont ajoutés, même lorsque l’intrication et la cohérence sont simultanément présentes. [4]
« An Inquiry into the Possibility of Nonlocal Quantum Communication », John G. Cramer and Nick Herbert; arXiv:1409.5098 (2014).
En effet, il est largement admis que, bien que l’intrication quantique maintienne un état hautement corrélé transcendant les limites de la localité, le résultat de toute détection ou mesure est toujours aléatoire, de sorte qu’aucune information utile ne peut être transmise au cours du processus.
Cela nous amène à une autre énigme apparente qui existe au carrefour de la théorie quantique et de la relativité générale depuis plus de 45 ans, depuis que Stephen Hawking a analysé le vide quantique autour des horizons des événements, montrant que les trous noirs pouvaient s’évaporer. Cette découverte a conduit à ce que l’on appelle le paradoxe de la perte d’information. Le problème se pose parce que les paires de particules du vide quantique – les lecteurs de nos articles sur RSF savent bien que l’espace vide n’est pas vraiment vide, mais possède une densité de masse et d’énergie extrêmement grande – sont enchevêtrées, mais aucune information ne peut être extraite de la paire de particules intriquées qui s’est échappée (rappelez-vous que la communication quantique non locale est interdite). Ainsi, lorsque l’énergie est lentement rayonnée loin du trou noir, les particules de Hawking intriquées ne portent aucune information sur les micro-états internes (entropie volumique) du trou noir en cours d’évaporation. L’information semble être perdue, ce qui constituerait une violation directe des lois physiques telles que « l’énergie n’est jamais créée ni détruite ». Selon la théorie actuellement acceptée, à mesure que le trou noir s’évapore, son entropie d’enchevêtrement augmente inexorablement, ce qui signifie que le caractère « aléatoire » des particules de Hawking rayonnées augmente continuellement. Ainsi, toute information ordonnée contenue dans l’horizon des événements (son entropie de volume) est convertie en rayonnement aléatoire et semble perdue à jamais.
Pourtant, il existe des solutions à ce paradoxe reposant sur la conjecture ERb = équivalence EPR, qui postule une relation et une connexion entre ce qui se trouve à l’intérieur et à l’extérieur de l’horizon des événements d’un trou noir. Ainsi, l’information ne serait pas irrémédiablement perdue ou détruite, mais plutôt accessible via le câblage quantique de l’espace-temps. Dans un article paru dans Scientific American, le physicien Ahmed Almheiri, l’un des auteurs du paradoxe du pare-feu AMPS (voir mon article de 2016 « Firewalls or Cool Horizons? »), décrit des travaux récents avec Juan Maldacena et d’autres. Ils résolvent le paradoxe du pare-feu AMPS et celui de la perte d’information en montrant que, grâce à ERb = EPR, l’information à l’intérieur de l’horizon des événements d’un trou noir se trouve « secrètement à l’extérieur » [5, How the Inside of a Black Hole Is Secretly on the Outside, Scientific American, 2022]. En substance, les connexions de trous de ver entre des trous noirs maximalement intriqués leur permettent d’échanger leur entropie volumique, créant ainsi des « îles de trous noirs » à l’intérieur de ces trous. Une île de trou noir est le volume de l’horizon des événements d’un autre trou noir éloigné, intriqué par une connexion en trou de ver.
Ce qu’Almheiri et Maldacena ont découvert, c’est que lorsque ces îles de trous noirs se forment, en raison du théorème de non-clonage de la mécanique quantique, leur entropie contribue à l’entropie de surface du trou noir et n’est plus perdue à l’intérieur (c’est-à-dire la région inaccessible cachée dans l’horizon des événements). Ainsi, pour que l’information soit libérée, il suffit qu’une particule pénètre plus profondément à l’intérieur du trou noir, dans l’île, et l’information devient alors accessible à l’horizon de surface.
Cette conclusion est remarquablement similaire à la solution holographique généralisée découverte par le physicien Nassim Haramein en 2012. Dans son ouvrage fondamental intitulé « Quantum gravity and the holographic mass », Haramein a démontré qu’il existe une relation simple et fondamentale entre le contenu en informations, en termes de PSU à l’intérieur du volume d’un trou noir, et les informations PSU à la surface de l’horizon des événements, ce qui donne un rapport qui, une fois multiplié par la masse de Planck (l’énergie de ce rapport), génère la masse-énergie exacte du trou noir [6]. La solution de Schwarzschild aux équations du champ d’Einstein donne exactement la même réponse pour la masse d’un trou noir, mais dans le cas de la solution holographique généralisée de Haramein utilisant des voxels quantiques, nous avons une solution gravitationnelle quantifiée (en quantités fines ou discrètes). Pour une exploration approfondie de la solution holographique de gravité quantique de Haramein, voir la série en plusieurs parties du Dr Inés Urdaneta, physicien à la RSF, intitulée « Le modèle holographique généralisé ».
La solution holographique généralisée de Haramein a anticipé la correspondance ERb = EPR avant qu’elle ne soit popularisée par Susskind. Haramein a décrit la masse apparente au repos de la particule fondamentale du hadron, le proton, comme étant le résultat de la largeur de bande du transfert d’informations de l’entropie d’intrication intérieure avec la surface via les trous de ver des particules de Planck qui constituent le trou noir quantique.
Pour comprendre cela, imaginez l’horizon de surface du proton traité avec la solution holographique de Haramein, dans laquelle chaque unité de Planck à la surface (il y a ~1040 Planck à la surface d’un proton) est la terminaison d’un minuscule vortex à l’échelle de Planck qui est connecté à (et donc intriqué avec) un autre Planck à la surface d’un autre proton. Imaginez ensuite que chacune des ~1040 terminaisons de vortex d’un proton est connectée à un autre proton, comme des câbles de réseau reliant un proton à ~1040 autres dans le reste de l’univers. Bien entendu, chacun de ces ~1040 protons est lui-même connecté à un autre ~1040 protons, ce qui donne ~1080 protons connectés, soit le nombre estimé de protons dans l’univers aujourd’hui. Une nouvelle image émerge, dans laquelle la structure du vide de Planck génère un réseau fractal de trous de ver où le volume du proton est un centre d’information, et la surface est la capacité du centre à communiquer avec d’autres protons.
Bien entendu, la solution holographique généralisée de Haramein a été appliquée de manière équivalente aux trous noirs à l’échelle astronomique (le proton étant un trou noir à l’échelle quantique ou microscopique), de sorte qu’il avait prédit que l’information, la masse, Il avait donc prédit que l’information, la masse et l’énergie de tous les trous noirs résultaient du fait que leurs intérieurs étaient des « centres d’information » via un réseau fractalisé de trous de ver spatio-temporels – ce que nous avons décrit dans des publications ultérieures comme le réseau d’espace-mémoire unifié, et nous avons ensuite utilisé cette perspective d’univers connecté pour décrire les origines de la conscience et l’évolution et le développement de toute la matière organisée vers des ordres d’organisation et de synergie plus élevés [7].
La découverte de Haramein montre donc que l’information de Planck contenue dans le volume de tous les protons de l’univers est unifiée et partagée par ~1040 connexions sur chaque proton. Il en résulte que toute l’information de tous les protons est présente dans le volume d’information de Planck d’un proton. D’après ce que nous avons appris de la solution holographique de Haramein, la masse de l’objet est le résultat de l’information à l’intérieur du volume (~1060 Planck dans chaque proton) communiquant à travers la frontière par ~1040 connexions à tous les autres protons. La différence entre les deux, ce que Haramein décrit comme un rapport universel fondamental (qu’il définit avec la lettre grecque la plus couramment utilisée pour les rapports physiques, phi φ) est la masse-énergie-information des unités sphériques de Planck à l’intérieur qui n’ont pas accès à une terminaison de trou de ver de Planck à la surface, s’ajoutant à la masse au repos du proton (~10-20) :
En termes simples, le nombre de Planck dans le volume est supérieur au nombre de terminaisons de vortex de Planck à la surface, de sorte que seule une certaine quantité d’énergie-information reste exprimée localement et que cette quantité d’énergie-information est égale à la masse du proton.
On pourrait considérer que toutes les informations sortantes à l’intérieur tentent de traverser l’horizon des événements et se heurtent à une résistance ou à une entropie, car il y a plus d’informations à l’intérieur du volume que la surface ne peut en transmettre, ce qui laisse une masse-énergie locale équivalente à la masse du proton. Cependant, lorsque nous examinons tous les autres protons agissant sur l’un d’entre eux, ou l’information entrante, la valeur de masse-énergie de confinement fort est trouvée pour l’interaction proton-proton, presque comme une pression exercée par l’information de tous les autres protons communiquant avec l’un d’entre eux :
Puisque cela s’applique également aux objets cosmologiques, la masse et la force de gravité qui confinent les noyaux des atomes aux structures universelles, telles que les galaxies et les étoiles, sont le résultat de l’« impédance » du réseau d’information universel à travers les horizons d’événements – le réseau chantant à travers les échelles… « la musique des sphères ».
Bien que l’approche adoptée par Almheiri présente quelques différences majeures, ce qui n’est que normal puisque la plupart des physiciens proviennent d’un modèle qui considère le monde en termes de hasard et de « systèmes isolés », et découvrent seulement maintenant dans leurs propres équations que tout dans l’univers est fondamentalement et inextricablement lié, il est intéressant de voir des approches aussi disparates converger vers les mêmes conclusions… une forte indication que l’approche est la bonne pour réaliser une théorie entièrement unifiée de la gravité quantique et de la physique unifiée !
Comme l’indique l’article de Scientific American, l’origine du paradoxe de l’information remonte à l’incompatibilité entre la séquestration de l’information par l’horizon des événements et l’exigence de la mécanique quantique de circulation de l’information à l’extérieur du trou noir. Les résolutions naïves de cette tension conduisent à des modifications drastiques de la structure des trous noirs ; cependant, les effets subtils mais spectaculaires des trous de ver fluctuants changent tout. Il en ressort une image cohérente qui permet à un trou noir de conserver sa structure régulière telle que prédite par la relativité générale, mais avec la présence d’une nonlocalité implicite mais puissante. Cette nonlocalité nous incite à considérer une partie de l’intérieur du trou noir – l’île – comme faisant partie de l’extérieur, comme une seule unité avec le rayonnement extérieur. Ainsi, l’information peut s’échapper d’un trou noir non pas en franchissant l’horizon des événements insurmontable, mais simplement en tombant plus profondément dans l’île [5].
Il est intéressant de constater que les auteurs du paradoxe du pare-feu AMPS ont abandonné la théorie en faveur de la non-localité. En réalisant que les équations de la physique, de la relativité générale à l’intégrale du chemin de Feynman, permettent toutes des raccourcis par le pont d’Einstein-Rosen à travers un espace-temps aux connexions multiples, il devient trop évident que les trous de ver, aussi exotiques qu’ils puissent paraître à notre vision du monde centrée sur la localité, doivent être considérés comme une propriété fondamentale de la structure de l’espace-temps et que la nature semble avoir une façon de permettre une subtile non-localité sans générer de violations flagrantes de la relation de cause à effet. Néanmoins, la signalisation rétrocausale (c’est-à-dire la communication quantique non locale) se produit d’une manière apparemment nuancée, et aucune information n’est jamais perdue pour l’univers. Comme le montre la solution holographique généralisée de Haramein, l’univers est un réseau immensément connecté (où l’information de n’importe quelle particule est partagée entre toutes les particules d’une manière véritablement holographique via l’architecture de connectivité du micro trou de ver planckien de l’horizon de surface du proton), et puisque les particules fondamentales sont des micro trous noirs, cela s’étend également aux trous noirs à l’échelle astronomique, dont l’intérieur est un centre d’information reliant l’espace-temps à travers l’univers.
Références :
[1] A. Einstein, B. Podolsky and N. Rosen, « Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality be Considered Complete? » Phys. Rev. 47, 777-80 (1935).
[2] A. Einstein and N. Rosen, “The Particle Problem in the General Theory of Relativity,” Phys. Rev., vol. 48, no. 1, pp. 73–77, Jul. 1935, doi: 10.1103/PhysRev.48.73
[3] J. Maldacena and L. Susskind, “Cool horizons for entangled black holes,” Fortschr. Phys., vol. 61, no. 9, pp. 781–811, Sep. 2013, doi: 10.1002/prop.201300020
[4] « An Inquiry into the Possibility of Nonlocal Quantum Communication », John G. Cramer and Nick Herbert; arXiv:1409.5098 (2014)
[5] Ahmed Almheiri, How the Inside of a Black Hole Is Secretly on the Outside, Scientific American, 2022.
[6] Haramein, N. (2012). Quantum Gravity and the Holographic Mass, Physical Review & Research International, ISSN: 2231-1815, Page 270-292
[7] Haramein, N., Brown W., & Val Baker, A. K. F. (2016). The Unified Spacememory Network: from cosmogenesis to consciousness, Journal of Neuroquantology.