Des scientifiques découvrent une empreinte quantique dans la gravité du trou noir qui résout enfin le paradoxe de Hawking

Illustration du trou noir ; Alain R, licence CC

Une équipe internationale de physiciens des États-Unis, du Royaume-Uni et d’Italie a co-écrit deux articles qui résolvent enfin un problème qui déconcerte les scientifiques depuis près d’un demi-siècle.

Avec de nouveaux calculs, ils ont démontré que les trous noirs ont un champ gravitationnel au niveau quantique qui encode des informations sur la façon dont ils se sont formés. C’est la clé manquante du paradoxe de Stephen Hawking lorsqu’il a suggéré qu’il n’y avait aucun vestige de leur passé.

“Il s’avère que les trous noirs sont en fait de bons enfants, conservant la mémoire des étoiles qui leur ont donné naissance”, a déclaré Xavier Calmet, professeur de physique théorique à l’Université du Sussex.

Paradoxe résolu

Dans les années 1960, l’éminent physicien John Archibald Wheeler a exprimé le fait que les trous noirs n’avaient aucune caractéristique observable au-delà de leur masse totale, de leur spin et de leur charge avec la phrase “les trous noirs n’ont pas de cheveux”. C’est ce qu’on appelle le théorème sans cheveux.

Après avoir démontré que les trous noirs ont en fait cette caractéristique supplémentaire, dans leur premier article collaboratif, le professeur Stephen Hsu, Calmet, Folkert Kuipers, également de l’Université du Sussex, et Roberto Casadio de l’Université de Bologne ont qualifié leur découverte de “cheveux quantiques”. de la gravité, “en clin d’œil à l’expression de Wheeler”.

“Les trous noirs ont longtemps été considérés comme le laboratoire idéal pour étudier comment fusionner la théorie de la relativité générale d’Einstein avec la mécanique quantique”, a expliqué Calmet. “Il était généralement admis au sein de la communauté scientifique que la résolution de ce paradoxe nécessiterait un énorme changement de paradigme en physique, forçant la reformulation potentielle de la mécanique quantique ou de la relativité générale.

“Ce que nous avons découvert – et je pense que c’est particulièrement excitant – c’est que ce n’est pas nécessaire”, a poursuivi Calmet. “Notre solution ne nécessite aucune idée spéculative, au lieu de cela, nos recherches démontrent que les deux théories peuvent être utilisées pour effectuer des calculs cohérents pour les trous noirs et expliquer comment les informations sont stockées sans avoir besoin d’une nouvelle physique radicale.”

En utilisant des méthodes mathématiques développées au cours des 10 dernières années pour effectuer des calculs en gravité quantique, les scientifiques ont montré explicitement que la matière qui s’effondre dans un trou noir laisse une empreinte dans le champ gravitationnel du trou noir lorsque les corrections gravitationnelles quantiques sont prises en compte. Cette empreinte est ce que les scientifiques appellent des « cheveux quantiques ».

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Plus précisément, ils ont comparé les champs gravitationnels de deux étoiles ayant la même masse totale et les mêmes rayons mais des compositions différentes. Au niveau classique, les deux étoiles ont le même potentiel gravitationnel, mais au niveau quantique, le potentiel dépend de la composition de l’étoile. Lorsque les étoiles s’effondrent en trous noirs, leurs champs gravitationnels préservent la mémoire de la composition des étoiles et conduisent à la conclusion que les trous noirs ont des cheveux, après tout.

“Le concept d’horizon causal ou d’événement est au cœur de la notion de trou noir”, a expliqué Hsu. « Ce qui est derrière l’horizon ne peut pas, en physique classique, influencer l’extérieur. Nous avons montré qu’il existe des enchevêtrements complexes entre l’état quantique de la matière derrière l’horizon (à l’intérieur du trou) et l’état des gravitons à l’extérieur. Cet enchevêtrement permet d’encoder des informations quantiques sur l’intérieur du trou noir dans le rayonnement de Hawking qui s’échappe à l’infini. »

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C’est dans leur article de suivi, publié dans une revue distincte, Physics Letters B, que Calmet et Hsu montrent que leurs «cheveux quantiques» résolvent le paradoxe de l’information sur le trou noir de Hawking, qui découle de la suggestion du professeur Stephen Hawking en 1976 selon laquelle, à mesure qu’ils s’évaporent et émettent un rayonnement thermique, les trous noirs détruisent les informations sur ce qui les a formés. Cela semblait violer une loi fondamentale de la mécanique quantique qui stipule que tout processus en physique peut être mathématiquement inversé.

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Les «cheveux quantiques» des scientifiques fournissent cependant le mécanisme par lequel les informations sont préservées lors de l’effondrement d’un trou noir et résolvent ainsi l’un des dilemmes les plus célèbres de la science moderne.

“Comme nous le savons d’Einstein, les forces gravitationnelles proviennent de la géométrie même de l’espace-temps lui-même”, a déclaré Hsu. Par conséquent, lorsque nous quantifions la gravité, nous nous attendons à découvrir de nouvelles choses sur l’espace-temps quantique. Dans ce cas, nous apprenons que le rayonnement de Hawking d’un trou noir est intriqué avec l’état quantique de l’espace-temps lui-même ! »

Ce travail paraît dans la revue Physical Review Letters, et dans Physics Letters B.

Source : Université d’État du Michigan

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