APERDYNE

Créer mon codex

Existentiel
Esotérique
Spirituel
Philosophique
Scientifique
Métaphysique

A propos de...
Connexion


APERDYNELes dossiers de l'inconnu
Les dossiers de l'inconnu
S'abonner

aperdyne - Qu'y a-t-il derrière un trou noir ?

Qu'y a-t-il derrière un trou noir ?

La question qui provoque tout cette agitation est « que se passe-t-il quand on tombe dans un trou noir ? » La réponse est bien évidemment qu’on finit par mourir. Mourir, oui, mais comment ? Il y a quelques mois, des chercheurs de l’Université de Santa Barbara en Californie ont publié un article démontrant que – contrairement à ce que l’on pensait – tout ce qui tombe dans un trou noir finit par se faire carboniser au contact de ce qu’ils ont appelé « un mur de feu » (firewall). Et l’air de rien, cette affirmation menace gravement certains fondements de la physique ! Qu’est-ce qu’un trou noir ? Un trou noir, c’est une région de l’espace de laquelle rien ne peut s’échapper, pas même la lumière. Cela ne peut se produire que quand il existe une très grande masse suffisamment concentrée, et dont la force d’attraction gravitationnelle est suffisante pour retenir n’importe quel objet, particule ou même rayon lumineux. Pour fabriquer un trou noir, il vous faut donc confiner une forte masse dans une région suffisamment petite de l’espace. Prenons l’exemple du Soleil : il pèse environ 2 milliards de milliards de milliards de tonnes, et son rayon est de 700 000 km, soit 200 fois celui de la Terre. Si vous arriviez à concentrer toute la masse du Soleil dans un rayon inférieur à 3 kilomètres, cela créerait un trou noir : tout objet ou rayon lumineux qui s’en approcherait à moins de 3 kilomètres ne pourrait plus s’échapper. Pour créer un trou noir avec la Terre, c’est encore plus difficile puisqu’il faudrait concentrer toute sa masse dans un rayon d’un centimètre…et bien sûr cela créerait un trou noir qui ne ferait seulement qu’un centimètre ! Et pourtant les astrophysiciens sont maintenant convaincus que les trous noirs existent réellement, et qu’il y en aurait même un tout près de chez nous : au centre de notre galaxie, la Voie Lactée. Si vous voulez contempler un trou noir de vos propres yeux, sortez ce soir vers minuit et regardez vers le Sud. Un peu au-dessus de l’horizon, vous devriez voir la constellation du Sagittaire, reconnaissable à un petit motif bien connu des amateurs : la théière. Comme le montre l’image ci-dessous, la Voie Lactée passe tout près de la théière, et à proximité de son bec se trouve la direction qui indique le centre de la Voie Lactée. Et c’est là que se trouve un objet appelé Sagittaire A*, dont on pense aujourd’hui que c’est un trou noir supergéant, bien calé en plein milieu de notre galaxie ! Que se passe-t-il quand on tombe dans un trou noir ? trou noir horizonPuisque l’on sait qu’ils existent, on peut essayer d’imaginer ce que nous ressentirions si nous tombions dans un trou noir. Étonnamment, au début il ne se passerait rien de spécial. Reprenons l’exemple du Soleil, imaginons que je réussisse à concentrer sa masse dans un rayon moins d’un kilomètre. Comme nous l’avons vu, si maintenant je m’approche à moins de 3 kilomètres du centre, je serai piégé. Cette limite (qui dans le cas de la masse du Soleil vaut 3 kilomètres) est appelée l’horizon du trou noir. Mais ce qu’il faut comprendre, c’est qu’au niveau de l’horizon, il n’y a rien, et notamment pas de matière ! Celle-ci est concentrée plus au centre, et l’horizon n’est qu’une frontière immatérielle. Si je tombe vers le trou noir, au moment où je franchirai l’horizon, je ne remarquerai absolument rien de spécial (mais il sera quand même trop tard pour revenir). On peut prendre une analogie : vous marchez au milieu d’un champ, et soudain sans le savoir, et sans que rien ne l’indique, vous franchissez la frontière qui vous fait passer dans un autre pays. Sauf que ce pays interdit à quiconque d’en sortir, et si vous essayez de revenir sur vos pas, la police débarque et vous en empêche. Eh bien un trou noir, c’est pareil : rien ne vous prévient quand vous franchissez le point de non-retour. Si un jour vous avez le malheur de tomber dans un trou noir, vous ne vous en rendrez même pas compte ! Et c’est d’ailleurs bien normal qu’on ne se rende compte de rien, car ce principe est une des bases de la théorie de la relativité générale d’Einstein, celle-là même qui prédit l’existence des trous noirs. Au début du XXème siècle, Einstein a construit une partie de sa théorie à partir d’une expérience de pensée fameuse : si une cabine d’ascenseur se décroche et que les occupants tombent en chute libre, ils flotteront dans les airs comme s’ils étaient en apesanteur dans l’espace. Einstein a érigé cette observation en principe général : il n’existe aucune différence détectable entre l’apesanteur et la chute libre (que cette chute se fasse vers la Terre ou vers un trou noir). Par « différence détectable », il faut entendre qu’une personne enfermée dans une cabine, et ayant le droit de faire des expériences de physique trouvera toujours exactement les mêmes résultats qu’elle soit en apesanteur ou en train de tomber en chute libre. C’est ce qu’Einstein a appelé le « principe d’équivalence ». Vous comprenez maintenant pourquoi franchir l’horizon d’un trou noir en étant attiré par lui ne doit pas provoquer d’évènement particulier, c’est censé être une expérience équivalente à flotter dans l’espace en apesanteur. Tout semble aller pour le mieux dans le monde des trous noirs…jusqu’à ce qu’on ajoute un ingrédient ! La théorie de la relativité générale, qui prédit l’existence des trous noirs, est une théorie de l’infiniment grand. Mais à l’autre bout du spectre existe une théorie de l’infiniment petit : la mécanique quantique. Cette théorie est pleine de paradoxes et de résultats contre-intuitifs, mais elle comporte un ingrédient rassurant : l’information y est conservée. Qu’entend-on par là ? Imaginons que je brûle ma voiture et que vous arriviez à la fin de l’incendie. Supposons qu’au moment où vous arriviez on puisse mesurer très exactement la position de toutes les atomes présents. Alors si vous connaissez les lois de la physique, vous pouvez (en principe) reconstituer les trajectoires de tous les atomes, calculer où ils se trouvaient au départ, et donc connaître quelle était la forme, la couleur et la marque de ma voiture. Bien sûr il s’agit d’une expérience très théorique, mais qui traduit une propriété fondamentale de toute la physique microscopique : si on connait exactement l’état présent d’un système, on peut en principe reconstituer son passé. On dit donc que l’information ne disparaît pas : elle est conservée. Le problème, c’est que ce principe de conservation de l’information est incompatible avec les trous noirs ! Si je prends ma voiture et que je la jette dans un trou noir, à l’extérieur du trou noir il n’y aura strictement plus aucune information qui nous renseigne sur ce qu’il y avait avant : impossible de savoir si ma voiture était une Lada ou une Ferrari (ni même si c’était une voiture !). Avec les trous noirs, l’information est détruite au lieu d’être conservée. Vous avez là un exemple frappant d’une contradiction entre la théorie de l’infiniment grand (la relativité générale) et celle de l’infiniment petit (la mécanique quantique). rayonnement de hawkingCe problème n’a bien sûr pas échappé aux plus grands physiciens théoriciens, et parmi eux le célèbre Stephen Hawking, qui a fait plusieurs contributions déterminantes vers sa résolution. Dans les années 70, il a montré que si on incorpore un peu de mécanique quantique dans les trous noirs, alors ceux-ci ne sont plus si noirs que ça ! Plus précisément, il a montré qu’un trou noir doit nécessairement émettre un rayonnement, et que ce rayonnement fait diminuer la masse du trou noir jusqu’à provoquer son évaporation totale ! C’est ce qu’on appelle le rayonnement de Hawking. Si le trou noir émet quelque chose, alors peut être que ce quelque chose contient des traces qui permettent de reconstituer ce qui est tombé dedans (et la marque de ma voiture) ? C’est ce qu’on peut penser, mais ça ne marche pas, car d’après les calculs de Hawking ce rayonnement ne dépend que de la masse du trou noir, mais il est le même quel que soit son contenu (Ferrari ou Lada). Ca n’est que bien plus tard dans les années 90 que Leonard Susskind de l’Université de Stanford a résolu le paradoxe en montrant qu’il existe dans le rayonnement de Hawking une trace de la nature exacte de tout ce qui est tombé dans le trou noir depuis sa création. L’information est donc bien conservée dans le rayonnement de Hawking, et en observant celui-ci on peut (toujours en principe) retrouver la marque de ma voiture ! Tout va bien cette fois, non ? Eh bien tout allait bien, jusqu’à ce jour de juillet 2012 où 4 autres physiciens ont mis le feu au trou (noir). Comme vous l’avez noté tout au long de ce billet, comme on parle de conditions extrêmes et qu’en plus les physiciens théoriciens ne savent pas faire de manips, on s’en réfère toujours à des expériences « de pensée ». La dernière en date a donc été proposée par un groupe mené par le physicien Joe Polchinski, un des spécialistes de la théorie des cordes. Dans cet article, lui et ses collaborateurs démontrent que si le mécanisme de conservation de l’information proposé est vrai, alors il doit exister au niveau de l’horizon du trou noir un zone de très forte libération d’énergie, zone qu’ils ont malicieusement appelé « firewall ». Si on en croit leur raisonnement, un individu qui tomberait dans un trou noir serait donc instantanément vaporisé au moment où il franchirait l’horizon. Après tout, pourquoi pas ? On est plus à ça près ! Le problème que cela pose, c’est que nous avons vu au début de ce billet que le principe d’équivalence impose que rien de détectable ne se produit quand on tombe en chute libre, y compris quand on franchit l’horizon d’un trou noir. Ce principe interdit donc l’apparition soudaine d’un mur de feu ! A l’heure actuelle, il n’existe donc que 3 alternatives possibilités : Le principe d’équivalence est faux, et il faut repenser en profondeur la relativité générale ; La conservation de l’information est fausse, et il faut repenser en profondeur la mécanique quantique ; Polchinski et sa bande ont fait une erreur. Cela fait maintenant un an que les meilleurs théoriciens du monde essayent de trouver une faille dans le raisonnement, mais sans succès ! Beaucoup commencent à se résoudre à devoir choisir entre l’une des deux autres alternatives. Alors, on sacrifie la mécanique quantique ou la relativité générale ? On comprend mieux pourquoi le problème du firewall suscite un tel enthousiasme, car sa résolution va peut être nécessiter de repenser des principes physiques fondamentaux maintenant vieux de presque un siècle. Pour aller plus loin : l’argument de Polchinski et compagnie Je suis loin de pouvoir dire que j’ai compris le détail de la démonstration des 4 californiens. Mais pour ceux que ça intéresse, voici l’idée de base. Le mécanisme imaginé par Susskind dans les années 90 prévoit que l’information de ce qui a formé le trou noir se cache dans le rayonnement de Hawking, sous la forme d’une intrication des états quantiques du rayonnement. Mais par ailleurs quand le rayonnement de Hawking se produit, il se fait au moyen d’une paire particule/antiparticule qui se crée au niveau de l’horizon et se sépare avant de pouvoir se recombiner. En principes les deux particules de cette paire doivent aussi être intriquées. Mais il existe en mécanique quantique un résultat appelé « monogamie de l’intrication », qui dit qu’une système ne peut pas être totalement intriqué avec deux autres systèmes. La seule solution est donc d’imaginer que l’intrication entre les 2 particules est brisée au niveau de l’horizon, ce qui serait la source du dégagement d’énergie à l’origine du firewall. Ce raisonnement un peu heuristique a une traduction formelle dans l’article des 4 chercheurs californiens. Parmi les questions que je me pose à sa lecture, il y a celle de savoir si – plutôt que de sacrifier la conservation de l’information – on ne pourrait pas sacrifier la monogamie de l’intrication. Dans la même veine, il me semble qu’un des points de l’argument fait appel au « no-cloning theorem », qui interdit que l’on puisse faire une copie exacte d’un état quantique. On pourrait pas le sacrifier, lui-aussi ?

DAVID https://sciencetonnante.wordpress.com


 0
 0

aperdyne - Comment la vie est-elle née ?
Comment la vie est-elle née ?
aperdyne - Nécronomicon : le livre des morts
Nécronomicon : le livre des morts
aperdyne - Peut-on prévoir l’avenir ?
Peut-on prévoir l’avenir ?
aperdyne - Qu’est-ce que le temps ?
Qu’est-ce que le temps ?
aperdyne - Des vortex et portes spatio temporelle sur la terre ?
Des vortex et portes spatio temporelle sur la terre ?
aperdyne - Sommes-nous dans la matrice ?
Sommes-nous dans la matrice ?
aperdyne - Et si la bible disait la vérité ?
Et si la bible disait la vérité ?
aperdyne - Pourquoi le mal existe ?
Pourquoi le mal existe ?
aperdyne - Qu’y avait-il avant le Big Bang ?
Qu’y avait-il avant le Big Bang ?
aperdyne - Les robots peuvent-ils avoir des émotions ?
Les robots peuvent-ils avoir des émotions ?
aperdyne - Qu’est-ce que le saint graal ?
Qu’est-ce que le saint graal ?
aperdyne - Le mystérieux manuscrit voynich
Le mystérieux manuscrit voynich
aperdyne - Roswell, la grande énigme...
Roswell, la grande énigme...
aperdyne - Pour quand est prévue la fin du monde ?
Pour quand est prévue la fin du monde ?
aperdyne - Les vampires existent-ils ?
Les vampires existent-ils ?