Selon Nita Engelhart, les secrets ne meurent jamais. Pas même dans un trou noir.

Engelhart est un physicien théoricien au MIT qui étudie la physique complexe dans et autour des trous noirs, à la recherche des ingrédients fondamentaux qui composent notre univers. Ce faisant, cela bouleverse les idées courantes dans les domaines de la physique quantique et de la gravité.

L’une des plus grandes découvertes de son travail jusqu’à présent est la manière dont les informations tombant dans un trou noir peuvent être évitées à jamais. En 2019, peu avant son arrivée au MIT, elle et d’autres physiciens ont utilisé des méthodes gravitationnelles pour prouver que tout ce qui pourrait arriver aux informations à l’intérieur d’un trou noir pouvait en principe être annulé lorsque le trou noir s’évaporait.

Les découvertes de l'équipe ont stupéfié la communauté des physiciens, car elles représentaient la plus grande avancée quantitative directe vers la résolution de l'ancien paradoxe de l'information sur les trous noirs – un dilemme soulevé dans les travaux du physicien Stephen Hawking. Ce paradoxe entre en conflit avec deux théories qui semblent toutes deux correctes : la première, le pilier de « l’unité », qui est le principe selon lequel l’information dans l’univers n’est ni créée ni détruite ; Deuxièmement, les calculs de Hawking issus de la physique gravitationnelle standard montrent que l'information peut en effet être détruite, en particulier lorsqu'elle rayonne à partir d'un trou noir en évaporation.

«Imaginez que vous aviez votre journal et que vous y avez mis le feu dans le laboratoire», explique Engelhart. « Selon l'unité, si vous connaissiez la dynamique fondamentale de l'univers, vous pourriez prendre les cendres et les effectuer par ingénierie inverse pour voir le journal et son contenu. Ce serait très difficile, mais vous pourriez le faire. Mais les calculs de Hawking montrent que même si vous connaissiez la dynamique fondamentale de l’univers, vous ne seriez pas en mesure de procéder à une ingénierie inverse du processus d’évaporation réversible des trous noirs.

Inglehart, alors à Princeton, et ses collègues ont montré que, contrairement aux calculs de Hawking, il était possible d'utiliser la physique gravitationnelle pour voir que le processus d'évaporation des trous noirs préserve effectivement l'information.

En tant que membre nouvellement titulaire du corps professoral du MIT, Englehart 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 à des échelles 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 carrière. »

Portail gravitationnel

Engelhart est née à Jérusalem, où elle a développé très tôt un intérêt pour tout ce qui concerne la science. Quand elle avait neuf ans, elle et sa famille ont déménagé à Boston, en partie pour que sa mère puisse s'inscrire au programme de chercheurs invités du MIT en linguistique. Englehart était nouveau en Amérique et n'ayant appris à lire qu'en hébreu, il a passé les premières semaines à lire tous les livres que la famille avait apportés avec eux, dont certains étaient inhabituels pour un enfant de 9 ans.

« J'ai lu tous les livres qui nous restaient en hébreu, jusqu'à ce qu'il ne reste finalement qu'un seul livre, A Brief History of Time de Stephen Hawking. »

Le livre de Hawking était la première introduction d'Engelhart aux trous noirs, au Big Bang, ainsi qu'aux forces fondamentales et aux éléments constitutifs qui composent l'univers. Ce que j'ai trouvé particulièrement intéressant, ce sont les éléments manquants de la compréhension des physiciens.

« Les gens peuvent passer toute leur vie à chercher des réponses à ces questions fondamentales, ce que j'ai trouvé absolument fascinant », déclare Englehart. « D'où vient l'univers ? Quels sont les éléments constitutifs ? Ce sont les questions auxquelles j'ai réalisé que je voulais juste connaître la réponse. À partir de ce moment, je ne m'intéressais pas seulement à la physique, je m'intéressais à la gravité quantique à 9. »

Elle a alimenté cette première étincelle au cours de ses études de premier cycle, avec spécialisation en physique et en mathématiques à l’Université Brandeis. Je suis allé à l'Université de Californie à Santa Barbara, où j'ai poursuivi un doctorat en physique et j'ai vraiment 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 est un système remarquablement efficace pour décrire les interactions dans la nature au niveau des atomes et plus petits. Ces interactions quantiques sont régies par trois des quatre forces fondamentales connues des physiciens. Mais la quatrième force, la gravité, a échappé à la mécanique quantique, en particulier dans les situations où l'influence de la gravité est énorme, comme dans les profondeurs des trous noirs.

Dans des systèmes 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 sur le fonctionnement de l’univers à des échelles fondamentales.

Pour Inglehart, 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 découlent de quelque chose de plus fondamental. Engelhart a consacré une grande partie de ses travaux d'études supérieures à se concentrer sur des questions concernant la géométrie de l'espace-temps et sur la manière dont sa courbure pourrait résulter de quelque chose de plus fondamental, tel que décrit par la gravité quantique.

« Ce sont de grandes questions à résoudre », admet Englehart. « Je passe la majeure partie de mon temps à me demander : « Comment puis-je prendre cette vague intuition et la condenser en une question à laquelle on peut répondre de manière concrète et quantitative ? » Et c’est une grande partie des progrès que vous pouvez réaliser.

Empreinte digitale d'un trou noir

En 2014, à mi-chemin de son doctorat, Inglehart a concentré l’une de ses questions sur la gravité quantique et l’émergence de l’espace-temps sur 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 gravité (courbées) appelées surfaces extrêmes », explique Inglehart. « Il existait déjà une formule qui utilisait de telles surfaces pour calculer l'entropie des systèmes gravitationnels en l'absence d'effets quantiques. Mais dans la gravité quantique réelle, il existe des effets quantiques, et je voulais une formule qui en tienne compte. »

Elle et le chercheur postdoctoral Aaron Wall ont travaillé à la construction d'une équation générale décrivant comment calculer l'entropie des régions gravitationnelles lorsque les effets quantiques sont pris en compte. Le résultat : des surfaces quantiques maximales, une généralisation quantique des surfaces classiques anciennes.

À l’époque, l’exercice était purement théorique, car les effets quantiques de la plupart des processus dans l’univers sont si faibles qu’ils ne feraient pas osciller même légèrement l’espace-temps environnant. Leur nouvelle équation sera donc basée sur des prédictions similaires à l’équation purement classique.

Mais en 2019, en tant que chercheur postdoctoral à l’Université de Princeton, Inglehart et d’autres ont réalisé que cette équation pourrait donner une prédiction très différente de ce que ferait une surface quantique extrême et de ce que serait l’entropie de la gravité 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 l’ancien paradoxe 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, et ne dormait pas vraiment la nuit parce que nous étions tellement excités. »

Après trois semaines de privation de sommeil, les physiciens étaient convaincus d'avoir franchi une étape spectaculaire vers la résolution du paradoxe : à mesure que le trou noir s'évapore et rayonne les informations qui y étaient initialement tombées, un nouveau quantum totalement non classique se forme. Une surface maximale apparaît, entraînant une entropie gravitationnelle qui diminue à mesure que davantage d’informations sont rayonnées. Ils pensaient que cette surface pourrait servir d'empreinte d'informations radioactives, qui pourraient en principe être utilisées pour reconstituer les informations originales, dont Stephen Hawking avait montré qu'elles seraient perdues à jamais.

« C'était un moment eurêka ! », dit-elle. « Je me souviens d'être rentrée chez moi, d'avoir réfléchi et probablement 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 Engelhart estime que le paradoxe est sur le point d'être résolu, du moins dans ses grandes lignes, et que le travail de son équipe a été soumis à des contrôles répétés et à un examen minutieux. Pendant ce temps, elle tournait son attention vers d’autres questions.

Substrats de test

La percée d'Engelhart a eu lieu en mai 2019. Deux mois plus tard, elle s'est rendue à Cambridge pour commencer son poste d'enseignante 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 certain enthousiasme pour la science au Centre de physique théorique, et on le ressent partout, cela 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 ses études postdoctorales à l'Université de Princeton. En juillet 2019, j'ai commencé à travailler au MIT en tant que professeur assistant de physique.

À ses débuts sur le campus, lorsqu'elle a créé son groupe de recherche, Engelhart a étudié 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 l'on veut vraiment résoudre ce paradoxe, nous devons expliquer l'erreur de Hawking », déclare Inglehart.

Son intuition était qu’il calculait d’une manière ou d’une autre une quantité complètement différente. Elle pense que les travaux de Hawking, qui ont initialement déclenché la contradiction, pourraient expliquer un autre type d'entropie gravitationnelle, qui semble conduire à une perte d'informations lorsqu'un trou noir s'évapore. Cependant, cette autre forme d’entropie gravitationnelle est incompatible avec le contenu informationnel, son augmentation ne serait donc pas contradictoire.

Aujourd'hui, elle et ses étudiants étudient des questions liées à la gravité quantique, ainsi qu'au concept épineux des singularités, des cas dans lesquels un objet comme une étoile s'effondre dans une région de gravité si forte qu'elle détruit l'espace-temps lui-même. Les physiciens ont historiquement prédit que les singularités ne devraient exister qu'au-delà de l'horizon des événements d'un trou noir, bien que d'autres aient vu des indices suggérant qu'elles existaient au-delà de ces limites gravitationnelles.

« Une grande partie de mon travail consiste désormais à comprendre combien de piliers de la physique gravitationnelle ne sont pas corrects tels que nous les comprenons actuellement », dit-elle. « Les réponses à ces questions constituent la motivation ultime. »