L’analogie entre un trou noir sonique et un vrai trou noir

Est-ce qu’un trou noir sonique pourrait mener les physiciens vers une hypothèse de la gravitation quantique ou est-ce que c’est une fausse piste qu’il faut éviter comme la peste ?


Est-ce qu'un trou noir sonique pourrait mener les physiciens vers une hypothèse de la gravitation quantique ou est-ce que c'est une fausse piste qu'il faut éviter comme la peste ?

Traduction d’un article de Quanta Magazine par Natalie Wolchover.

Dans une conférence à l’université d’Oxford en 1972, un jeune physicien nommé William Unruh a demandé à l’audience d’imaginer un poisson qui criait pendant qu’il plongeait dans une cascade. Dans cette expérience de pensée, l’eau tombe plus vite que la vitesse du son à un certain point dans cette cascade. Après que le poisson ait passé ce point de non-retour sonore, l’eau va amortir son cri plus vite que la propagation des vagues sonores et les amis du poisson, qui se trouvent dans la rivière au-dessus de la cascade, ne pourraient plus entendre ce cri.

Le sonique

Unruh explique qu’une situation similaire se produit lorsque vous tombez dans un trou noir. Quand vous approchez de cet objet super-dense, la courbure de l’espace-temps est extrême selon la . Et dans un point de non-retour connu comme l’, la courbure de l’espace-temps devient si intense que les signaux ne peuvent plus remonter vers le monde externe. Dans l’horizon des événements, même la lumière est capturée par la gravitation du trou noir le rendant invisible.

Dans les années qui suivirent la conférence d’Unruh, les trous noirs, un endroit de collision et de paradoxe entre la relativité générale et la , est devenue la principale quête pour trouver une hypothèse valable sur la gravitation quantique. Et pendant ce temps, l’analogie acoustique d’Unruh a fonctionné mieux qu’une simple expérience de pensée. Dans un papier de 1981, il a montré que les horizons des trous noirs astrophysiques et soniques peuvent être décrits avec les mêmes équations. En considérant leur similarité mathématique, Unruh, professeur à l’université de Columbia, a déclaré que si vous comprenez mieux le premier système, alors vous aurez des indices sur le second.

Et les chercheurs ont commencé à analyser la physique des trous noirs soniques pour comprendre les vrais trous noirs. Et ces dernières années, ils ont même créé des trous noirs soniques en laboratoire. L’été dernier, Jeff Steinhauer de Technion en Israël a rapporté la découverte ultime : La détection d’une analogie sonique de la , un phénomène hypothétique que Stephen Hawking avait prédit en 1974.1

Le paradoxe de l’information

La prédiction de Hawking sur le fait que les trous noirs émettent de la chaleur et qu’ils peuvent s’évaporer a donné naissance au paradoxe de l’information. Ce paradoxe de l’information se demande ce qui se produit à l’information quand elle tombe dans un trou noir. Les calculs de Hawking suggèrent que cette information est perdue en « s’échappant » de l’univers. Et dans ce cas, la mécanique quantique, qui considère l’information comme une monnaie indestructible et fondamentale de l’univers, doit être abandonnée. Mais si l’information est préservée, comme le pensent de nombreux physiciens, alors la prédiction de Hawking est fausse et la tâche de n’importe quelle hypothèse de gravitation quantique est de révéler la faille de cette logique.

Comparaison entre un trou noir sonique et astrophysique avec la radiation Hawking. Crédit : Lucy Reading-Ikkanda

Comparaison entre un et astrophysique avec la radiation Hawking. Crédit : Lucy Reading-Ikkanda

Malgré son importance, on ne peut pas tester directement le calcul de Hawking. La radiation d’un trou noir est trop faible pour la détecter. Mais la mesure d’effets similaires dans un trou noir sonique, qui sont les unités quantiques du son s’échappant de l’horizon sonique, pose une question épineuse et fondamentale. Est-ce qu’on peut comparer un trou noir sonique et un vrai trou noir ? Ou plus précisément, est-ce que les découvertes de Steinhauer valident indirectement le calcul de Hawking en prouvant que l’information est définitivement perdue dans les trous noirs ? Après la publication de l’expérience, tout le monde s’est extasié sur l’exploit selon Heriot-Watt, un physicien de l’université d’Edinburgh, mais ensuite, tout le monde s’est posé la question sur la signification réelle de l’expérience. Est-ce qu’elle vaut quelque chose ?

Certains chercheurs voient une preuve indirecte de la radiation Hawking dans l’expérience de Steinhauer. Dans un papier publié le mois dernier, Karim Thebault, physicien devenu philosophe à l’université de Bristol, argue qu’un trou noir sonique peut être comparé à un trou noir astrophysique.2 D’autres voient une fausse piste. Daniel Harlow, physicien théoricien de l’université d’Harvard, a jugé l’expérience comme une chose amusante dans l’ingénierie, mais qui ne nous apprendra rien sur les trous noirs. L’interprétation de cette expérience déterminera ce que la radiation Hawking a révélé sur l’univers.

La radiation Hawking

Hawking a d’abord montré que les trous noirs ne sont pas noirs. Des sauts aléatoires quantiques les illuminent. Dans l’espace-temps, vous avez des paires de particules « virtuelles » qui apparaissent et s’annulent mutuellement. Hawking a réalisé que lorsque ces paires de particules s’approchent de l’horizon d’un trou noir, la première particule virtuelle sera aspirée dedans tandis que son partenaire va s’échapper en empêchant leur destruction mutuelle. La particule, qui s’est échappée, devient réelle en volant l’énergie du champ gravitationnel du trou noir. Pendant ce temps, la particule qui tombe obtient une énergie négative en baissant donc l’énergie du trou noir. Et donc, le trou noir va disparaitre sans laisser aucune trace. Le calcul de Hawking a indiqué que la radiation est thermique. Elle consiste en des propagations aléatoires et sans caractéristiques d’énergies sans aucun détail sur l’étoile qui a formé le trou noir ou toute autre chose qui est tombé dedans.

Et c’est tout l’objet du paradoxe. Selon la mécanique quantique, les probabilités de tous les états possibles des particules dans l’univers doivent respecter l’unitarité. Le principe de l’unitarité postule que l’évolution des états passés de l’univers peut être déterminé en rembobinant à partir de ses états présents. Mais si l’information est perdue sous la forme d’un gaz dans aucune caractéristique pendant l’évaporation d’un trou noir, alors le passé de l’univers ne peut pas être déterminé à partir de son présent et donc, cela casse la mécanique quantique. Mais avant de la casser, on peut aussi penser que Hawking s’est trompé.

La limite du calcul d’Hawking

William Unruh a proposé une analogie entre un trou noir sonique et astrophysique en 1981 - Crédit : William Unruh.

William Unruh a proposé une analogie entre un trou noir sonique et astrophysique en 1981 – Crédit : William Unruh.

Pour faire son calcul, Hawking a fait une supposition fondamentale. Que l’espace-temps est lisse et continu à l’horizon d’un trou noir selon la description de la relativité générale. Les physiciens pensent que c’est une approximation. Si on zoome suffisamment dans le continuum de l’espace-temps, alors une forme de gravitation quantique plus fondamentale va émerger. La gravitation quantique devient très importante au centre du trou noir connu comme sa singularité, mais Hawking a supposé que s’il s’approchait suffisamment du centre, alors il peut décrire les fluctuations quantiques de l’horizon. En termes clairs, sa description concerne des zones avec une gravitation modérée typique de l’horizon, mais pas de la singularité. Selon la relativité générale, la pente de l’espace-temps est suffisamment douce à l’horizon des trous supermassifs comme ceux qu’on trouve au centre des galaxies. En fait, cette pente est tellement douce qu’un astronaute, qui flotterait à proximité, ne la remarquerait même pas.

En 1981, Unruh a découvert que l’approximation de Hawking pouvait également s’appliquer aux fluides.3 Comme l’espace-temps, les fluides semblent continus à de grandes échelles même s’ils sont composés d’atomes en profondeur. Unruh a montré que de la même manière qu’une paire de particules fluctue en dehors et à l’intérieur de l’espace-temps, les vibrations connues comme des phonons, qui sont les unités quantiques du son, pouvaient émerger à travers les fluides. Et quand des paires de phonons émergent à côté de l’horizon sonique d’un trou noir sonique, alors cette paire sera séparée pour devenir des entités permanentes afin de produire une analogie sonique de la radiation Hawking.

L’expérience de Jeff Steinhauer sur la radiation Hawking du trou noir sonique

Jeff Steinhauer a effectué une expérience où on peut voir la radiation Hawking dans un trou noir sonique. Crédit Jeff Steinhauer.

Jeff Steinhauer a effectué une expérience où on peut voir la radiation Hawking dans un trou noir sonique. Crédit Jeff Steinhauer.

Et c’est ce phénomène que Jeff Steinhauer a montré dans la revue Nature Physics en aout 2016 après avoir répété quotidiennement l’expérience depuis 2009. Il a créé un fluide exotique connu comme le condensat de Bose-Einstein composé d’atomes de rubidium à des températures ultra-basses. Il a fait couler ce condensat et il a augmenté sa vitesse avec un laser pour l’accélérer à une vitesse supersonique en créant un horizon sonique. Finalement, Steinhauer a mesuré l’intrication quantique entre les paires de phonons sur les 2 cotés de l’horizon qui était consistent avec la radiation Hawking.

Les résultats confirment que l’approximation du fluide fonctionne dans les trous noirs soniques. La question est la similarité des 2 approximations selon Stephan Hartmann, philosophe de physiques à la Ludwig Maximilian University en Allemagne. Si les trous noirs soniques sont de vraies analogies, alors l’approximation Hawking est correcte, l’horizon des événements n’a pas de passé et l’information est détruite dans les trous noirs. Cela suggère qu’on doit remplacer les lois probabilistes de la mécanique quantique par un cadre plus fondamental. Et si l’approximation de Hawking est fausse, alors les trous noirs soniques ne sont pas de bons substituts pour les vrais trous noirs. Dans ce cas, la gravitation quantique doit encoder l’histoire des trous noirs dans leur radiation en préservant l’information pendant l’évaporation du trou noir.

Unruh pense que l’approximation de Hawking est correcte. En 2005, Unruh et Ralf Schützhold de l’université de Duisburg-Essen en Allemagne ont montré que la radiation Hawking devient une prédiction théorique robuste dans les trous noirs soniques et astrophysiques indépendamment des suppositions théoriques sur les physiques à courtes distances.4 Les propriétés à petites échelles de l’espace-temps et des fluides n’ont jamais été affectées par le résultat du calcul. Cela suggère que l’approximation de Hawking n’émet pas de lueur au-delà d’une valeur importante. Et Unruh interprète ce résultat sur le fait que la gravitation quantique ne modifie pas la radiation Hawking pour sauver l’information. Dans son opinion, les résultats de Steinhauer sont une preuve que la radiation thermique est un phénomène robuste et que l’information est perdue.

Cependant, la plupart des chercheurs en gravitation quantique, pensent que l’information est préservée incluant Hawking qui a changé de camp dans les années 2000. De leur perspective, la radiation Hawking d’un trou noir sonique ne dit rien sur les vrais trous noirs, car ce sont 2 choses différentes. Même si l’approximation du fluide est correcte pour le trou noir sonique, l’espace-temps n’est pas approximativement lisse dans l’horizon des événements d’un trou noir astrophysique. Quelque part, la gravitation quantique modifie l’horizon de manière extrême pour se débarrasser de l’argument de la robustesse de la radiation Hawking. Nous sommes dans une situation où nous devons sacrifier quelque chose d’important, mais nous ignorons comment remplacer la relativité générale dans l’horizon selon Bousso.

Certains pensent que ces expériences suggèrent que les trous noirs sont simplement des coquilles vides. Ils « plaquent » toute l’information sur leur horizon et la projette dans l’univers comme un hologramme. Dans ce cas, le fait de tomber dans un trou ne serait pas comme un poisson plongeant dans une cascade, mais plutôt comme une mouche qui s’écrase contre une fenêtre.

Mais les 2 camps sont d’accord que la comparaison avec les trous noirs soniques renforce l’étrangeté des trous noirs astrophysiques et de l’étrangeté de la gravitation quantique par la même occasion. Harlow ne voit pas les trous noirs soniques comme des analogies, mais des simulations informatiques avec de mauvaises équations. Si vous pouvez simuler les équations de la gravitation quantique, alors je vous donnerais une bonne réponse, mais pour le moment, j’ignore quelles sont ces bonnes équations.

Sources

1.
Steinhauer J. Observation of quantum Hawking radiation and its entanglement in an analogue black hole. Nature Physics. 2016;12(10):959-965. doi: 10.1038/nphys3863
2.
Karim T. What Can We Learn From Analogue Experiments? arXiv. https://arxiv.org/abs/1610.05028. Published 27 octobre 2016. Consulté le novembre 12, 2016.
3.
Unruh WG. Experimental Black-Hole Evaporation? Phys Rev Lett. 1981;46(21):1351-1353. doi: 10.1103/physrevlett.46.1351
4.
Schützhold R, Unruh WG. Hawking Radiation in an Electromagnetic Waveguide? Physical Review Letters. 2005;95(3). doi: 10.1103/physrevlett.95.031301

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Jacqueline Charpentier

Ayant fait une formation en chimie, il est normal que je me sois retrouvée dans une entreprise d'emballage. Désormais, je publie sur des médias, des blogs et des magazines pour vulgariser l'actualité scientifique et celle de la santé.

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