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Cosmologie. Des trous noirs dépourvus de murs de feu

Dans un article précédent, nous faisions référence à des recherches actuelles concernant la possible émergence d'un univers comme le nôtre à partir de l'omniprésent monde quantique. Les auteurs de cette recherche n'ont pas perdu de temps pour examiner les conséquences de leurs hypothèses sur d'autres problèmes de la cosmologie aujourd'hui quasi inextricables, tel celui des trous noirs.

Ils viennent de publier sur arXiv un nouvel article, référencé ci-dessous, intitulé Branches of the Black Hole Wave Function Need Not Contain Firewalls. Ce titre, que nous pouvons traduire par « des branches de la fonction d'onde d'un trou noir peuvent ne pas contenir de mur de feu » est incompréhensible par le profane. Il mérite une explication.

Il faut d'abord rappeler ce qu'est le firewall ou mur de feu d'un trou noir. Selon Wikipedia https://fr.wikipedia.org/wiki/Mur_de_feu_(trou_noir) Le mur de feu est, en physique théorique, un phénomène hypothétique qui se produirait à l'horizon des événements d'un trou noir. Il est en effet prédit qu'il existe une zone de grande densité énergétique autour d'un trou noir, créée par le bris d'intrications quantiques généré par le rayonnement de Hawking.

En principe le trou noir, soit détruit l'information mais viole ce faisant les lois de la mécanique quantique selon lesquelles l'information ne peut être ni détruite ni créée, soit est enveloppé d'un mur de feu à haute énergie correspondant à une partie de l'information qu'il rayonne.

Toujours selon Wikipedia: Le concept de mur de feu repose sur le fait que le vide possède des propriétés quantiques appelées fluctuations quantiques du vide. Elles vont être utilisées pour tenter d'expliquer ce phénomène de mur de feu à proximité de l'horizon du trou noir. Les inégalités d'Heisenberg démontrent que de l'énergie peut être « empruntée » au vide pendant une très courte durée grâce à l'existence de fluctuations. L'horizon des évènements d'un trou noir génère en permanence des paires de particule-antiparticule dont la masse totale est liée à l'énergie de la fluctuation par la relation masse-énergie E = Mc2.

Le type de particule générée est donc fonction de l'énergie empruntée. En général, le couple particule-antiparticule s'annihile aussitôt, sauf si un phénomène physique permet de séparer l'une de l'autre en un temps inférieur à la durée de vie typique de la paire. À l'horizon des événements d'un trou noir, les forces de marée sont si intenses qu'elles peuvent éloigner la particule de son antiparticule avant qu'elles ne s'annihilent. L'une des particules de la paire peut alors être absorbée par le trou noir sans que l'autre ne le soit. Dans ce cas, l'énergie empruntée ne sera pas « rendue » au vide, ce qui ne respecte pas le principe de conservation de l'énergie. Pour remédier à cela, le trou noir doit émettre de l'énergie : c'est le principe de base du rayonnement de Hawking, qui fait s'évaporer les trous noirs (c'est-à-dire qu'à longue échéance les trous noirs disparaissent faute de particules).

Or, selon les auteurs de l'article référencé ici, l'hypothèse dite de la Théorie d'Everett ou des « mondes multiples » permettrait d'expliquer ce paradoxe. Everett avance dans sa thèse que le paradoxe du chat de Schrödinger selon lequel l'observation d'un chat quantique ne permet pas de décider s'il est mort ou vivant (L'observation en effet, soit tue le chat, soit le montre vivant) trouve sa solution dans l'hypothèse des mondes multiples (many worlds). Ici, chaque observation est une bifurcation. Le chat est à la fois mort et vivant, avant même l'ouverture de la boite, mais le chat mort et le chat vivant existent dans des bifurcations différentes de l'univers, qui sont tout aussi réelles l'une que l'autre. Plus concrètement, le chat est mort dans un univers, après observation dite réduction du paquet d'ondes et se retrouve vivant dans un autre. Ceci suggère, toujours selon Everett, l'apparition à la suite de l'observation d'une multiplicité de mondes classiques relatifs aux observateurs, qui ont des destinées multiples, dans un unique Univers quantique, décrit par une unique solution de l'équation de Schrödinger : la fonction d'onde universelle.

Les mondes multiples ou le Multivers

Le concept de mur de feu d'un trou noir contredit la relativité générale selon laquelle l'espace-temps proche de l'horizon du trou noir devrait être lisse et dépourvu d'explosions à haute énergie.

Mais le paradoxe du Trou noir disparaît dans l'hypothèse des mondes multiples. Selon les défenseurs de cette hypothèse, l' « Univers quantique unique » d'Everett, décrit par une unique solution de l'équation de Schrödinger : la fonction d'onde universelle, ne signifie pas que la fonction d'onde objet d'une observation soit de ce fait détruite. Elle se trouve répartie entre deux univers. Dans l'un elle est détruite, dans l'autre elle ne l'est pas.

Dans ces conditions, la formation du trou noir et son éventuelle évaporation doivent être conçues comme réparties en deux branches de la fonction d'onde universelle. Un observateur observant un Trou noir subit le même sort. Il est réparti si l'on peut dire, et bien entendu sans en avoir conscience, entre deux univers différents.

Le paradoxe du Trou noir disparaît alors. L'hypothèse de l'évaporation du Trou noir découlant de la perte d'information due à son rayonnement n'a plus lieu d'être. Le principe de la conservation de l'information postulé par la mécanique quantique s'applique à la fonction d'onde globale et non dans les différentes branches d'un univers multiple.

Dans certaines de celles-ci, un Trou noir qui ne perde pas d'information et qui cependant conserve un horizon lisse sans production de mur de feu serait parfaitement envisageable. Imaginer que l'univers soit unitaire n'a pas de sens.

De quelle façon dans ces conditions conviendrait-il d'expliquer le trou noir géant qui selon des observations récentes se trouverait au centre de notre galaxie. Absorberait-il l'information ou en rayonnerait-il au moins une partie sous forme de rayonnement de Hawking? Cf https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/trous-noirs-voie-lactee-il-y-aurait-bien-second-trou-noir-geant-coeur-notre-galaxie-61253/

On objectera qu'une cosmologie théorique qui pour sauvegarder une hypothèse encore difficilement vérifiable comme celle des Trous noirs fait appel à une hypothèse encore moins vérifiable comme celle des mondes multiples, construit un château de cartes sur un autre château de cartes. Mais n'est-ce pas, en l'absence de preuves expérimentales provenant d'instruments d'observation encore à mettre en oeuvre, le sort de la cosmologie théorique.

Référence: 

https://arxiv.org/abs/1712.04955

Branches of the Black Hole Wave Function Need Not Contain Firewalls.

(Submitted on 13 Dec 2017 (v1), last revised 19 Dec 2017 (this version, v2))

We discuss the branching structure of the quantum-gravitational wave function that describes the evaporation of a black hole. A global wave function that initially describes a classical Schwarzschild geometry is continually decohered into distinct semiclassical branches by the emission of Hawking radiation. The laws of quantum mechanics dictate that the wave function evolves unitarily, but this unitary evolution is only manifest when considering the global description of the wave function: it is not implemented by time evolution on a single semiclassical branch. Conversely, geometric notions like the position or smoothness of a horizon only make sense on the level of individual branches. We consider the implications of this picture for probes of black holes by classical observers in definite geometries, like those involved in the AMPS construction. We argue that individual branches can describe semiclassical geometries free of firewalls, even as the global wave function evolves unitarily. We show that the pointer states of infalling detectors that are robust under Hamiltonian evolution are distinct from, and incompatible with, those of exterior detectors stationary with respect to the black hole horizon, in the sense that the pointer bases are related to each other via nontrivial transformations that mix system, apparatus, and environment. This result describes a Hilbert-space version of black hole complementarity.

 

 

21/12/2017
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