Les scientifiques auraient peut-être résolu le «paradoxe du trou noir» de Stephen Hawking, vieux de 50 ans, avec des cheveux

Les scientifiques ont résolu un «paradoxe du trou noir» de 50 ans proposé pour la première fois par le professeur Stephen Hawking qui menaçait autrefois de briser notre compréhension de l’univers.

Le paradoxe de l’information du trou noir oppose la mécanique quantique à la relativité générale, où d’une part, rien ne peut quitter un trou noir en raison de la force de sa gravité ; de l’autre, sous la mécanique quantique, quelque chose est rayonné.

Il est basé sur une théorie de Hawking selon laquelle un trou noir n’est pas réellement noir, avec des paires de particules et d’antiparticules produites à son horizon des événements. L’un entre dans le trou noir, l’autre s’en échappe – mais ces deux états sont contradictoires.

Une nouvelle étude menée par une équipe de l’Université du Sussex en Angleterre a révélé que la très fine empreinte de matière sur le trou noir à son entrée, connue sous le nom de “cheveux quantiques”, fournit un mécanisme qui relie les problèmes quantiques et relativistes.

Leur solution permet de conserver l’information sous la mécanique quantique, dans l’empreinte, tout en s’assurant que “rien n’échappe” à la gravité, sous la relativité.

Le paradoxe de l’information du trou noir oppose la mécanique quantique à la relativité générale, où d’une part rien ne peut quitter un trou noir en raison de la force de sa gravité, et d’autre part, sous la mécanique quantique, quelque chose est rayonné

Il est basé sur une théorie de Hawking selon laquelle un trou noir n'est pas réellement noir, avec des paires de particules et d'antiparticules produites à son horizon des événements.  L'un entre dans le trou noir, l'autre s'en échappe - mais ces deux états sont contradictoires

Il est basé sur une théorie de Hawking selon laquelle un trou noir n’est pas réellement noir, avec des paires de particules et d’antiparticules produites à son horizon des événements. L’un entre dans le trou noir, l’autre s’en échappe – mais ces deux états sont contradictoires

Une paire d’articles a été publiée décrivant la solution élégante à un problème qui déroute les scientifiques depuis un demi-siècle.

Dans le premier article, l’équipe a démontré que les trous noirs sont plus complexes qu’on ne le pensait à l’origine et qu’ils ont un champ gravitationnel qui, au niveau quantique, code des informations sur la façon dont ils se sont formés.

La découverte, par le professeur Xavier Calmet et ses collègues, a été surnommée la théorie des « cheveux quantiques de la gravité ».

Le nom était un clin d’œil à une idée du physicien John Archibald Wheeler dans les années 1960, selon laquelle les trous noirs n’avaient aucune caractéristique observable au-delà de leur masse totale, de leur rotation et de leur charge – Wheeler disant à l’époque que “les trous noirs n’ont pas de cheveux”.

Cela est devenu connu sous le nom de “théorème sans cheveux”, mais le professeur Calmet et ses collègues ont démontré que les trous noirs ont des “cheveux” d’une certaine forme, formés par gravité.

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.

Une nouvelle étude menée par une équipe de l'Université du Sussex en Angleterre, a révélé que la très fine empreinte de la matière sur le trou noir à son entrée, connue sous le nom de « cheveux quantiques », fournit un mécanisme qui relie les problèmes quantiques et relativistes.

Une nouvelle étude menée par une équipe de l’Université du Sussex en Angleterre, a révélé que la très fine empreinte de la matière sur le trou noir à son entrée, connue sous le nom de « cheveux quantiques », fournit un mécanisme qui relie les problèmes quantiques et relativistes.

QU’EST-CE QUE LE PARADOXE DE L’INFORMATION ?

Le paradoxe de l’information, qui remonte à Albert Einstein, fascine Stephen Hawking et d’autres physiciens depuis des décennies.

En 1915, Einstein a publié la théorie de la relativité générale qui prédisait que les trous noirs pouvaient être définis par trois caractéristiques clés : leur masse, leur charge et leur spin.

Dans les années 1970, Hawking s’est appuyé sur le travail d’Einstein.

Il a dit que les trous noirs ont une température et parce que les objets chauds perdent de la chaleur, ils finiraient par s’évaporer et disparaître.

Les lois de la mécanique quantique disent que l’information n’est jamais perdue, mais cela présente un paradoxe pour notre compréhension actuelle des trous noirs.

Hawking voulait savoir ce qui était arrivé aux objets qui étaient précédemment tombés dans le trou noir.

Il a déclaré que l’idée d’un horizon des événements, d’où la lumière ne peut s’échapper, est erronée.

Les physiciens pensent que si les particules tombant dans le trou noir ont peut-être disparu, leurs informations continuent de s’attarder au bord de l’oubli dans les «cheveux doux» des particules quantiques.

Dans un nouvel article, Black Hole Entropy and Soft Hair, Hawking et ses collègues ont découvert que si un objet est jeté dans un trou noir, son entropie changera.

“Tout objet qui a une température a aussi une entropie”, a écrit le professeur Perry dans un article du Guardian.

“L’entropie est une mesure du nombre de façons différentes dont un objet peut être fabriqué à partir de ses ingrédients microscopiques tout en restant le même.”

L’entropie d’un trou noir – ou désordre interne – peut être enregistrée par ces photons autour du bord.

Cette information sera libérée par un trou noir lors de son évaporation.

Cependant, cela ne résout pas le paradoxe.

Les scientifiques veulent toujours savoir comment l’information est réellement stockée dans un poil doux.

Ils ne savent toujours pas non plus comment cette information quitte le trou noir lorsqu’elle s’évapore.

Cette empreinte est ce que les scientifiques appellent un « cheveu quantique ».

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 dans les 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», ont expliqué les auteurs.

Dans un article de suivi, le professeur Calmet et le co-auteur, le professeur Stephen Hsu, de l’Université d’État du Michigan, ont démontré que leurs «cheveux quantiques» résolvent le paradoxe de l’information sur le trou noir de Hawking.

Publié en 1976, Hawking a suggéré qu’en s’évaporant et en émettant 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.

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.

Les travaux s’appuient sur des études antérieures sur la nature des trous noirs et la gravité quantique, y compris des recherches de 2021 montrant que les trous noirs “exercent une pression”.

Le professeur Calmet a déclaré: “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”, les deux théories principales pour expliquer l’univers et tout ce qu’il contient.

«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», a expliqué le scientifique.

“Ce que nous avons découvert – et je pense que c’est particulièrement excitant – c’est que ce n’est pas nécessaire.”

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.

“Il s’avère que les trous noirs sont en fait de bons enfants, conservant la mémoire des étoiles qui leur ont donné naissance.”

Expliquant la découverte des cheveux quantiques, le co-auteur, Roberto Casadio, professeur de physique théorique à l’Université de Bologne, a déclaré qu’un aspect crucial de l’étude est la façon dont les trous noirs se forment.

“Les trous noirs sont formés par l’effondrement d’objets compacts et, selon la théorie quantique, il n’y a pas de séparation absolue entre l’intérieur et l’extérieur du trou noir”, a-t-il expliqué.

«Dans la théorie classique, l’horizon agit comme une membrane parfaite à sens unique qui ne laisse rien sortir et l’extérieur est donc le même pour tous les trous noirs d’une masse donnée. C’est le théorème classique sans cheveux.

Leur solution permet de préserver l'information sous la mécanique quantique, dans l'empreinte, tout en garantissant que

Leur solution permet de préserver l’information sous la mécanique quantique, dans l’empreinte, tout en garantissant que “rien n’échappe” à la gravité, sous la relativité

«Dans la théorie quantique, l’état de la matière qui s’effondre et forme le trou noir continue d’affecter l’état de l’extérieur, quoique d’une manière compatible avec les limites expérimentales actuelles. C’est ce qu’on appelle les cheveux quantiques.

Le professeur Hsu a déclaré que le concept d’horizon causal est au cœur de la notion de trou noir, où ce qui se trouve derrière l’horizon ne peut pas, en physique classique, influencer l’extérieur du trou noir.

«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.”

Le premier article a été publié dans la revue Physical Review Letters.

LES TROUS NOIRS ONT UNE TRACTION GRAVITATIONNELLE SI FORTE QUE MÊME LA LUMIÈRE NE PEUT PAS S’ÉCHAPPER

Les trous noirs sont si denses et leur attraction gravitationnelle est si forte qu’aucune forme de rayonnement ne peut leur échapper – pas même la lumière.

Ils agissent comme d’intenses sources de gravité qui aspirent la poussière et le gaz autour d’eux. On pense que leur attraction gravitationnelle intense est ce autour de quoi les étoiles des galaxies orbitent.

Leur formation est encore mal connue. Les astronomes pensent qu’ils peuvent se former lorsqu’un grand nuage de gaz jusqu’à 100 000 fois plus gros que le soleil s’effondre dans un trou noir.

Beaucoup de ces graines de trous noirs fusionnent ensuite pour former des trous noirs supermassifs beaucoup plus grands, qui se trouvent au centre de toutes les galaxies massives connues.

Alternativement, une graine de trou noir supermassif pourrait provenir d’une étoile géante, d’environ 100 fois la masse du soleil, qui se transforme finalement en un trou noir après avoir manqué de carburant et s’effondrer.

Lorsque ces étoiles géantes meurent, elles se transforment également en “supernova”, une énorme explosion qui expulse la matière des couches externes de l’étoile dans l’espace lointain.

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