Les trous noirs poilus expliquent le paradoxe de Hawking, selon les physiciens

La caractéristique distinctive des trous noirs est qu’ils sont noirs – les objets qui tombent dans le trou ne peuvent plus être vus et ne peuvent plus influencer l’Univers extérieur. Dans la relativité générale classique, les théorèmes «sans cheveux» restreignent considérablement les propriétés d’un trou noir qui peuvent affecter d’autres objets. Ceux-ci sont limités à sa masse totale, son spin et sa charge. Or, quatre physiciens théoriciens montrent que ces propriétés ne tiennent plus lorsque l’on considère les effets gravitationnels quantiques. Ils montrent que l’état quantique du champ de graviton causé par le trou noir contient des informations sur l’état intérieur du trou. Cette influence quantique s’étend au-delà de l’horizon des événements et jusqu’aux confins de l’espace-temps. Comme exemple précis d’effets quantiques, ils montrent que les échanges de gravitons virtuels se traduisent par une force gravitationnelle extrêmement faible, absente de la physique classique. La taille de cette force dépend de l’arrangement spécifique de la matière qui a formé le trou, et pas seulement de sa masse totale. Les résultats du cas pourraient résoudre le paradoxe de l’information sur les trous noirs de Stephen Hawking, qui défie les physiciens depuis 1976. Les « cheveux quantiques » permettent aux informations de derrière l’horizon d’émerger dans le rayonnement de Hawking, de sorte qu’un trou noir en évaporation obéit à une propriété appelée unitarité quantique.

Calmet et al. montrent que l’état quantique du champ de graviton causé par un trou noir contient des informations sur l’état intérieur du trou noir. Crédit image : E. Edwards / Joint Quantum Institute.

Dans un article publié dans la revue Lettres d’examen physiquele professeur Stephen Hsu de la Michigan State University et ses collègues démontrent 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.

Dans les années 1960, l’éminent physicien John Archibald Wheeler a exprimé le fait que les trous noirs sont dépourvus de toute caractéristique observable au-delà de leur masse totale, de leur rotation 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, le professeur Hsu et ses co-auteurs qualifient leur découverte de “cheveux quantiques de la gravité”, en clin d’œil à la phrase 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 déclaré le professeur Xavier Calmet, physicien à l’Université du Sussex.

“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.”

“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.”

Dans leur article, les auteurs montrent 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 qu’ils appellent des « cheveux quantiques ».

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 déclaré le professeur 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.”

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

Dans un article de suivi, publié dans la revue Lettres de physique Ble professeur Calmet et le professeur Hsu montrent que leurs «cheveux quantiques» résolvent le paradoxe de l’information sur les trous noirs de Stephen Hawking.

En 1976, le professeur Hawking a soutenu que les trous noirs faisaient évoluer des états purs vers des états mixtes.

Autrement dit, l’information quantique qui tombe dans un trou noir ne s’échappe pas sous forme de rayonnement ; au contraire, il disparaît complètement de notre Univers, violant ainsi l’unitarité en mécanique quantique.

Le « cheveu quantique », cependant, fournit le mécanisme par lequel l’information est préservée lors de l’effondrement d’un trou noir et, en tant que tel, résout 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 le professeur 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 !”

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Xavier Calmet et al. 2022. Cheveux quantiques de la gravité. Phys. Tour. Lett 128 (11) : 111301 ; doi : 10.1103 / PhysRevLett.128.111301

Xavier Calmet & Stephen DH Hsu. 2022. Informations quantiques sur les cheveux et les trous noirs. Lettres de physique B 827 : 136995; doi : 10.1016 / j.physletb.2022.136995

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