Maldacena: Is Spacetime Made of Qubits?

Dans la théorie de la relativité générale, l'espace-temps n'est fait de rien ; c'est un concept primaire, l'objet dynamique principal de la théorie. La question de sa composition ne devient pertinente que dans une théorie plus fondamentale. En mécanique quantique, il est parfois utile de le considérer comme étant composé de qubits ou d'autres degrés de liberté quantiques fondamentaux situés aux frontières de l'espace-temps. Cette vision où l'espace-temps émerge d'autres degrés de liberté, vivant sur sa frontière, est étudiée depuis plus de 20 ans. En physique, quand on dit qu'une chose est faite d'une autre, on fait référence à des éléments plus fondamentaux. Historiquement, la matière était vue comme faite de particules. La physique moderne décrit plutôt les choses comme faites de champs (électromagnétique, électronique, de Higgs), considérés comme le tissu fondamental de la réalité à courtes distances, avec des confirmations expérimentales. Ces champs existent dans un espace-temps fixe. Cependant, en relativité générale, l'espace-temps lui-même bouge et change. Nous pensons qu'il est décrit par un autre champ, qui, contrairement aux champs de matière décrits quantiquement, n'est décrit que classiquement. Les tentatives de le décrire quantiquement sont approximatives et échouent dans des cas importants comme le début de l'univers et l'intérieur des trous noirs. Ces échecs motivent la recherche d'une meilleure théorie. La principale difficulté à combiner la relativité générale avec la théorie quantique réside dans l'ordre du temps. En mécanique quantique, il y a un ordre temporel entre les opérateurs et les mesures. En gravité, l'espace-temps peut avoir différentes géométries et topologies, et l'ordre est inconnu. Une autre difficulté conceptuelle est qu'en mécanique quantique, un observateur est extérieur au système, alors qu'en gravité, tout est à l'intérieur du système. Un observateur dans l'univers a sa propre énergie et masse, rendant une observation "neutre" impossible. Des problèmes techniques liés aux infinis dans les calculs apparaissent en quatre dimensions, mais ce sont des questions plus techniques que conceptuelles. Les problèmes conceptuels, comme la nature de l'observateur ou la confusion autour des trous noirs dans les univers finis, persistent même en deux dimensions. Le travail de Whitten, Pennington et collaborateurs a amélioré la compréhension de ce qui se passe à l'intérieur d'un trou noir. Leur description est perturbative, partant d'un fond particulier et considérant de petites fluctuations, dans le cadre de la gravité semi-classique. Cela étend ces méthodes pour gérer des situations comme des univers compacts ou des régions où l'observateur n'a accès qu'à une partie de l'univers. C'est une amélioration par rapport aux théories précédentes, mais elle ne répond pas aux questions sur le début du Big Bang ou l'émergence de l'observateur. Ce travail a permis de mieux comprendre l'entropie généralisée. Pour un trou noir, l'entropie, dans une première approximation, est l'aire de l'horizon en unités de Planck. Cette entropie a une correction quantique due au rayonnement de Hawking. L'entropie provenant de ce rayonnement, vue par un observateur approchant l'horizon, serait infinie si calculée naïvement. Ces articles ont montré comment combiner cette contribution infinie avec l'aire de l'horizon pour obtenir une valeur finie. C'est une meilleure façon de penser à l'entropie des trous noirs dans la théorie semi-classique, résolvant certaines questions importantes, notamment l'interaction d'un trou noir avec une petite quantité de matière, décrite de manière quantique sans infinis. Le plus grand problème non résolu concernant les trous noirs est la compréhension de leur intérieur. À l'intérieur d'un trou noir, la courbure de l'espace-temps devient infinie, ce qui indique que quelque chose se produit que nous ne savons pas décrire. Les équations d'Einstein prédisent que l'on rencontre une singularité en évoluant vers l'intérieur, un point dans le futur inévitable, similaire à une singularité de Big Crunch où l'univers s'effondre. Cette région n'est pas visible de l'extérieur, mais si l'on tombe dans un trou noir, on s'y retrouverait et s'effondrerait avec la matière. La courbure très élevée suggère que les effets quantiques deviennent importants, et une théorie complète devrait décrire ce qui s'y passe