Les physiciens du RIKEN suggèrent qu’une propriété quantique appelée « magie » pourrait être la clé pour comprendre l’origine de l’espace-temps, sur la base d’une nouvelle analyse mathématique qui la relie à la nature chaotique des trous noirs.
Les physiciens associent pour la première fois la propriété quantique de la magie à la nature chaotique des trous noirs.
Une nouvelle analyse mathématique de trois physiciens du RIKEN suggère qu’une propriété quantique appelée « magie » pourrait être la clé pour expliquer comment l’espace et le temps apparaissent.
Il est difficile de concevoir quoi que ce soit de plus fondamental que le tissu de l’espace-temps qui sous-tend l’univers, mais les physiciens théoriciens remettent en question cette hypothèse. « Les physiciens sont depuis longtemps fascinés par la possibilité que l’espace et le temps ne soient pas fondamentaux, mais plutôt dérivés de quelque chose de plus profond », déclare Kanato Goto des sciences théoriques et mathématiques interdisciplinaires du RIKEN (iTHEMS).
Vue du trou noir supermassif M87. Les physiciens théoriciens du RIKEN ont pour la première fois lié la nature chaotique des trous noirs à la propriété quantique de la magie. Crédit : EHT Collaboration
Cette idée a reçu un coup de pouce dans les années 1990, lorsque le physicien théoricien Juan Maldacena a relié la théorie de la gravité qui régit l’espace-temps à une théorie impliquant des particules quantiques. En particulier, imaginez un espace hypothétique – qui pourrait être décrit comme étant entouré de quelque chose comme une boîte de soupe infinie, ou « amas » – qui contient des choses comme des trous noirs qui sont affectés par la gravité. Maldacena a également imaginé des particules se déplaçant sur la surface d’une canette, contrôlées par la mécanique quantique. Il s’est rendu compte que la théorie quantique utilisée pour décrire les particules à la frontière en mathématiques est équivalente à la théorie de la gravité décrivant les trous noirs et l’espace-temps au sein d’un amas.
« Cette relation indique que l’espace-temps lui-même n’existe pas essentiellement, mais émerge plutôt d’une certaine nature quantique », explique Goto. Les physiciens tentent de comprendre quelle propriété quantique est la clé.
Kanato Goto et deux collègues ont mené une analyse à l’aide de trous de ver qui met en lumière le paradoxe de l’information sur les trous noirs. Crédit : © 2022 RIKEN
L’idée originale était que l’intrication quantique – qui relie les particules quelle que soit leur distance – était le facteur le plus important : plus les particules sont intriquées à la frontière, plus l’espace-temps au sein de l’amas est fluide.
« Mais le simple fait de regarder le degré d’intrication à la frontière ne peut pas expliquer toutes les propriétés des trous noirs, par exemple, comment leur intérieur peut se développer », explique Guto.
Goto et ses collègues d’iTHEMS, Tomoki Nosaka et Masahiro Nozaki, ont donc recherché un autre quantum qui pourrait s’appliquer au régime aux limites et pourrait également être mappé à la masse pour décrire plus en détail les trous noirs. En particulier, ils ont noté que les trous noirs ont une propriété chaotique qui doit être décrite.
Quand tu jettes quelque chose dedans[{ » attribute= » »>black hole, information about it gets scrambled and cannot be recovered,” says Goto. “This scrambling is a manifestation of chaos.”
The team came across ‘magic’, which is a mathematical measure of how difficult a quantum state is to simulate using an ordinary classical (non-quantum) computer. Their calculations showed that in a chaotic system almost any state will evolve into one that is ‘maximally magical’—the most difficult to simulate.
This provides the first direct link between the quantum property of magic and the chaotic nature of black holes. “This finding suggests that magic is strongly involved in the emergence of spacetime,” says Goto.
Reference: “Probing chaos by magic monotones” by Kanato Goto, Tomoki Nosaka and Masahiro Nozaki, 19 December 2022, Physical Review D.
DOI: 10.1103/PhysRevD.106.126009