Carlo Rovelli par-delà le visible  Mon article 4: Cosmologie quantique, confirmations empiriques? la chaleur des trous noirs?

 

J'écris mon blog pour partager ma soif de connaissances, mes réflexions et mes passions et mes lectures. Dans ces articles, je voudrais partager "ma lecture" du livre de Carlo Rovelli "par-delà le visible". Ecrire ce que je retiens de mes lectures me permet de réfléchir à la compréhension que j'en ai. je mets entre guillemets les passages qui me semblent importants ou qui me frappent. Et par dessus tout je fais des recherches sur internet pour compléter ma lecture avec le maximum de liens qui permettent d'approfondir la connaissance du sujet.   

 

https://libreinfotv.com/2017/03/03/lenergie-libre-pourquoi-en-sommes-nous-rendu-la/

 

Livre de carlo rovelli par-delà le visible http://www.actu-philosophia.com/spip.php?article673

 

Mon article 2: Le temps n'existe pas.

Mon article 3: Au-delà de l'espace et du temps

https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/cosmologie-hawking-multivers-buzz-fake-news-70583/?utm_content=futura&utm_medium=push&utm_source=wonderpush&utm_campaign=wonderpush: (Il se produit actuellement, et d'abord dans les médias anglo-saxons, un véritable buzz autour du dernier article scientifique de Stephen Hawking, présenté comme révolutionnaire et fournissant un moyen de tester l'existence d'univers parallèles. La communauté scientifique doit s'étrangler et estimer se retrouver parfois quasiment devant une fake news. Bien que brillant et fort intéressant, l'article en question est en effet à des années-lumière de ces affirmations)

http://www.cnrs.fr/publications/imagesdelaphysique/couv-PDF/IdP2011/06_Rovelli.pdf (La « théorie des boucles » est une théorie quantique pour le champ gravitationnel. Son objectif est de décrire les phénomènes gravitationnels quand leurs effets quantiques ne peuvent pas être négligés)

http://www.doublecause.net/index.php?page=Carlo_Rovelli.htm (Et si le temps n'existait pas par carlo rovelli)

http://www.astrosurf.com/luxorion/temps-nexistepas.htm (Et si le temps n'existait pas?)

http://www.actu-philosophia.com/spip.php?article673 (Carlo Rovelli: Par-delà le visible)

http://www.wearealgerians.com/up/uploads/139910915883722.pdf (rien ne va plus en physique, l'échec de la théorie des cordes préface d'alain connes...Dieu pourrait être ou ne pas être. Ou les dieux. Pourtant, il y a quelque chose qui nous ennoblit dans notre quête du divin. Quelque chose d’humanisant, dans chacun des pas qui mènent les hommes vers la recherche d’une vérité plus profonde. Certains cherchent la transcendance dans la méditation ou la prière...)

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article3814 (Comment la physique se prépare à une nouvelle révolution conceptuelle fondamentale?)

https://arxiv.org/abs/physics/0401128 (Ruediger Vaas au-delà de l'espace et du temps:  Une introduction informelle à la géométrie quantique (gravité quantique en boucle), les réseaux de spin, les trous noirs quantiques et le travail d'Abhay Ashtekar, Carlo Rovelli, Lee Smolin et autres.

http://www.pourlascience.fr/ewb_pages/a/article-la-poursuite-de-l-espace-temps-quantique-38387.php  [À la poursuite de l'espace-temps quantique. L'espace et le temps émergeraient de l'intrication quantique de minuscules bribes d'information : telle est l'audacieuse hypothèse explorée par le projet collaboratif It from Qubit (https://arxiv.org/pdf/1306.0545.pdf). Clara Moskowitz]

https://perimeterinstitute.ca/people/research-area/quantum-gravity (liste des chercheurs en gravité quantique)

http://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/physique-gravitation-quantique-boucles-8832/ (La gravitation quantique à boucles)

http://www.ens-lyon.fr/DSM/SDMsite/M2/stages_M2/Gerardin.pdf  (Étude des contraintes de simplicité dans les modèles de mousses de spins)

Site conçu dans le cadre des TPE (Travaux Personnels Encadrés) en classe de Terminale S:

http://gravitations.pagesperso-orange.fr/plan.htm

http://gravitations.pagesperso-orange.fr/boucles.htm (la gravitation quantique à boucles)


https://arxiv.org/abs/1801.01479 (les trous noirs comme condensats de gravité quantique)



1) Préambule.

Comme je l'ai dit dans Dans mon article 1, j'ai interrompu mes articles à propos du  livre de Lee Smolin "La renaissance du temps" au chapitre 14 Je vais d'abord approfondir la question du temps avec la lecture du livre de Carlo Rovelli "par-delà le visible, la réalité du monde physique et la gravité quantique". Dans l'article 1), j'ai sauté directement à la troisième partie:  espace quantique et temps relationnel. Après les rappels historiques passionnants et des explications dont Carlo Rovelli a le secret concernant la relativité et la physique quantique, leurs limites et questionnements et qui ont abouti à ce que Lee Smolin décrit comme la crise de la physique avec son "rien ne va plus en physique", nous abordons ici les mystères de la gravitation quantique dont l'ambition est de dépasser ces problèmes et limites par une nouvelle théorie qui en réalisera peut-être l'unification. Dans l'article 2, nous avons vu que l'espace est un réseau de spins, dont les noeuds représentent les grains élémentaires, et les liens leurs relations de voisinage. L'espace-temps est créé à partir des processus où ces réseaux de spins se transforment les uns en les autres, et ces processus sont exprimés par des sommes de Mousses de spins, où une mousse représente un parcours idéal d'un réseau de spins, c'est à dire un espace-temps granulaire, où les sommets du réseau se combinent et se séparent. Ce pullulement microscopique de quanta à l'origine de l'espace et du temps obéit au calme apparent de la réalité macroscopique qui nous entoure. Chaque centimètre cube d'espace et chaque seconde de temps qui passe sont le résultat de cette mousse dansante de quanta minuscules.

 

LISA consiste en une constellation de trois satellites en orbite héliocentrique formant un triangle équilatéral de 2,5 millions de kilomètres de côté dont les trois bras sont reliés par 6 faisceaux laser". L'ESA lancera ce détecteur d'ondes gravitationnelles en 2034  Il sera composé de trois satellites séparés de 2,5 millions de kilomètres et volant en formation en suivant la Terre sur son orbite, donc en tournant non autour de la Terre, mais autour du soleil, comme s'il s'agissait de rois petites planètes. Grâce à deux faisceaux lasers, les positions relatives des satellites pourront être mesurées à quelques millionièmes de millionièmes de mètre près. Une précision indispensable pour espérer détecter les infimes variations de la trame de l'espace induites par le passage d'une onde gravitationnelle.

Dans les infimes ridules de l'espace autour de la Terre, les scientifiques devraient parvenir à trouver des traces d'événements advenus il y a environ 14 milliards d'années, à l'origine de notre Univers, et ainsi en obtenir la confirmation des déductions des hommes sur la nature de l'espace et du temps.

Maintenant, dans cet article 4), poursuivons notre découverte des recherches de Carlo Rovelli "Par delà le visible" avec les derniers chapitres: la chaleur des trous noirs, la fin de l'infini (avec la gravitation quantique), réalité et information, le mystère (restera t-il du mystère?)

                 

2) Rappelons ce que nous avons écrit dans le chapitre 3 de mon article 3: confirmations empiriques de la cosmologie quantique?

     2-1) Tout cela est encore en phase d'exploration, mais on dispose aujourd'hui d'équations pour tenter de décrire ces faits et commencer  à donner quelques coups d'oeil timides, encore seulement théoriques il est vrai, au-delà du big bang. L'application la théorie à la cosmologie pourrait contribuer à dire si la théorie est juste ou pas. La science fonctionne parce que, après des hypothèses et des raisonnements ou des intuitions ou des visions, les scientifiques peuvent savoir s'ils ont bien fait ou pas. La théorie fournit des prédictions sur ce que nous n'avons pas observé encore et dont nous pouvons vérifier l'exactitude. C'est une grande force, qui lui donne de la crédibilité et permet de se fief à elle. C'est cela qui distingue la science de toutes les autres formes de pensée où décider qui a tort et qui a raison est une question des plus épineuses et parfois même dépourvue de sens. C'est ce qui s'est passé avec ce petit curé belge, cet inconnu qui, contre l'avis d'Einstein soutien que l'Univers s'étend. L'un des deux a tort et l'autre a raison. Et la réputation, l'influence d'Einstein sur le monde scientifique n'ont pas suffi et son immense autorité ne comptent pas. Lemaître avait raison et la preuve par l'expérience a fait la différence et c'est là toute la force de la pensée scientifique. Mais cela ne signifie pas que la science se réduise à des prédictions mesurables comme le font certains philosophes des sciences qui la réduisent ses prévisions chiffrées. C'est confondre les outils avec l'objectif. En effet, les prévisions quantitatives vérifiables servent à examiner les hypothèses. Et l'objectif de la recherche scientifique n'est pas de faire des prévisions, mais de comprendre comment fonctionne le monde, d'élaborer et de développer une image du monde, une structure conceptuelle pour le penser. Le science n'est donc pas avant tout technique, elle est visionnaire. Et les prévisions vérifiables permettent de dire quand nous avons mal compris. Une théorie, pour faire ses preuves, doit avoir des confirmations fondées sur l'observation. Certes les preuves n'en finissent jamais, mais la théorie devient de plus en plus crédible à mesure que ses prédictions se révèlent exactes. C'est le cas de la relativité générale et de la mécanique quantique qui gagnent de plus en plus en crédibilité à mesure que toutes leurs prévisions se révèlent exactes y compris les plus inattendues et extravagantes, alors qu'au début laissaient beaucoup de personnes perplexes. 

Mais, même si les preuves expérimentales sont importantes, cela ne signifie pas que sans elles et des données nouvelles, la science ne progresse pas. En effet, de quelles données nouvelles Copernic disposait-il? Les mêmes que Ptolémée. Et Newton, quelles données nouvelles avait-il? Pratiquement aucune, ses "ingrédients" étaient ceux les lois de Képler et les résultats de Galilée. Et Einstein non plus pour la relativité générale. Il est parti de la relativité restreinte et de la théorie de Newton. Alors qu'ont-ils fait? Ils ont bâti à partir de théories déjà existantes et qu synthétisaient la connaissance empirique dans les vastes champs de la nature connus à l'époque et ils ont trouvé la manière de les combiner et de les repenser mieux. 

L'origine du savoir est toujours empirique certes, mais les données sur lesquelles on construit la gravité quantique par exemple, ne sont pas des expérimentations nouvelles, mais les constructions théoriques qui qui ont déjà structuré notre savoir sur le monde sous des formes qui commencent à être cohérentes. Les "données expérimentales" sont ici la relativité générale et la mécanique quantique à partir desquelles les théoriciens de la gravité quantique essayent de comprendre comment peut être fait un monde qui soit cohérent et dans lequel existeraient les quanta et où l'espace serait courbe, et donc de regarder vers l'inconnu. Carlo Rovelli, avec ces chercheurs, pense qu'ils ne peuvent pas ne pas essayer de se hisser sur les épaules des géants qui les ont précédés, Newton, Einstein, Dirac et les autres, en ne prétendant pas toutefois, avec humilité, avoir leur stature.

Pour continuer sur les confirmations empiriques de la cosmologie quantique, il convient de distinguer les indices des preuves. Comme dans une enquête policière, les indices sont ce qui met le Sherlock Holmes de l'enquête scientifique sur la bonne piste pour résoudre l'affaire. Ils servent à mettre sur la voie de la bonne théorie. Les preuves, elles, sont ce dont a besoin le juge pour envoyer le coupable en prison. Elles sont ce qui confirme ou pas que la théorie trouvée est la bonne. Sans indices, on cherche dans la mauvaise direction. Sans preuves, on reste dans le doute. 

Ceci vaut pour la gravité quantique où la théorie est dans son enfance. Elle se consolide peu à peu . Les idées de base se précisent, avec des indices bons et solides, mais il manque encore la confirmation des prévisions pour que la théorie fasse ses preuves.

     2-2) Des signaux de la nature. 

public.planck.fr/ résultats 2018 Univers en température et polarisation

Les signes qu'envoie la nature semblent encourageants selon C. Rovelli. 

Dans mon article La renaissance du temps article 1) nous avons vu dans le chapitre 2) l'erreur cosmologique que Lee Smolin évoque l'échec des théories actuelles. Il montre sa désillusion dans son livre "rien ne va plus en physique" où il écrit: "nous pensions savoir comment répondre à cette question "Pourquoi ces lois?". De nombreux théoriciens ont cru qu'une unique théorie mathématique cohérente pourrait incorporer les 4 lois fondamentales de la nature [...]. Si tel avait été le cas, la réponse [...] aurait été qu'une seule loi de physique  serait capable de donner naissance à un monde grosso modo comme le nôtre". Mais cet espoir a été anéanti. Il semble qu'il n'y a pas de théorie unique, une théorie du tout qui incorpore tout ce que nous connaissons de la nature en réconciliant physique quantique et relativité générale. De grands progrès on été accomplis au cours des 30 dernières années et de nombreuses tentatives on été proposées, mais il s'avère que ce n'est jamais selon un scénario unique. Bernard Dugué nous explique à propos du livre de Lee Smolin qu'Il "est plutôt cocasse que son confrère Carlo Rovelli ait publié en 2008 un article au titre sans équivoque, Forget time, dans lequel il suggère que la meilleure stratégie pour comprendre la gravité quantique est de construire une image physique du cosmos dans laquelle la notion de temps ne joue aucun rôle".

L'alternative la plus étudiée à cette crise de la physique est, dit C. Rovelli, la théorie des cordes. Mais sera-telle la clé? La plupart des physiciens qui travaillent sur la théorie des cordes s'attendaient qu'avec la mise en marche du nouveau LHC mis en service en 2008 et amélioré en 2015, on verrait aussitôt des particules de la nouvelle espèce prévues par la théorie des cordes et jusque là jamais observées: les particules supersymétriques. En 1967, Sidney Coleman et Jeffrey Mandula publient un article où ils démontrent que le groupe de Poincaré est le groupe de symétrie le plus général de la matrice S. Or, lmodèle standard de la physique des particules avait été presque entièrement construit grâce aux concepts de symétrie et d'invariance. Les opérateurs de symétrie sont définis à travers leurs relations de commutation, ceux-ci forment une algèbre de LieC'est le dernier point qui va permettre de contourner le théorème no-go afin d'introduire la supersymétrie, dans une super-algèbre de Lie. La supersymétrie élargit le modèle standard en ajoutant des classes de symétries supplémentaires au lagrangien. Ces symétries échangent des particules fermioniques et bosoniques. Ce genre de symétrie prédit l'existence de particules supersymétriques, les sparticules, comprenant les sleptons (en), les squarks, les neutralinos et les charginos. Chaque particule du Modèle standard est supposée avoir un superpartenaire dont le spin diffère d'1/2 de celui de la particule ordinaire. Du fait de la brisure de supersymétrie, les sparticules sont beaucoup plus lourdes que leurs contreparties ordinaires. Elles sont si lourdes que les accélérateurs de particules existants ne disposent pas d'une puissance suffisante pour les produire.

La théorie des cordes a besoin des particules supersymétriques pour être consistante (En logique mathématique, la cohérence ou consistance est la propriété d'une théorie exempte de contradiction). C'est pourquoi les cordistes s'attendaient à trouver les particules supersymétriques avec le LHC. En revanche, la théorie de la gravité quantique à boucles est bien définie sans avoir besoin de ce type de particules. Les bouclistes s'attendaient plutôt que ces particules n'existent pasMême avec le LHC les particules supersymétriques ne se sont pas manifestées, ce qui en déçu beaucoup. Et même "le grand tapage" qui a suivi la révélation de la particule de Higgs en 2013 (avec l'attribution du prix Nobel de physique à François Englert et Peter Higgs) a servi masquer cette déception. 

C'est le premier signal de la nature qu'évoque C. Rovelli dans le titre de ce chapitre. Le second est représenté par les mesures du satellite Planck dont les premiers résultats ont été publiées en 2013 et les résultats les plus récents en 2018. Le point commun entre ces deux résultats est l'absence de surprise. La découverte du boson de Higgs est la vérification de la prévision d'une particule élémentaire dont l'existence, postulée indépendamment en 1964 par Robert Brout, François Englert, Peter Higgs, Carl Richard Hagen, Gerald Guralnik et Thomas Kibble, permet d'expliquer la brisure de l'interaction unifiée. Les mesures de Planck, elles, sont une solide confirmation du modèle cosmologique standard fondé sur la relativité générale avec la constante cosmologique. Ces deux résultats et cette absence de surprise a été surprenante, car beaucoup s'attendaient à des surprises, à la supersymétrie et non au boson de Higgs ou à la mesure d'écarts par rapport au modèle standard par Planck, écarts qui soutiendraient l'un au l'autre des théories alternatives à la relativité générale. En 2015, on a assisté à un nouveau coup dur pour la supersymétrie  car aucun signe de supersymétrie n'a pour l'instant été aperçu au LHC et les résultats obtenus sont «tout à fait compatibles avec le Modèle Standard et suppriment la nécessité d'une théorie alternative».

Ainsi la réponse de la nature est simple: la relativité générale, la mécanique quantique et son modèle standard! Mais beaucoup de physiciens cherchent des théories nouvelles en émettant des hypothèses hasardeuses et arbitraires. C'est dans les traces, les indices dont nous disposons, que sont les théories qui ont du succès et dans les données expérimentales que selon C. Rovelli, nous devons essayer de débusquer ce que que nous n'avons pas encore su imaginer. C'est ainsi qu'ont procédé les géants qui nous ont précédé, Copernic, Newton, Maxwell, Einstein et les autres; ils n'ont pas "essayé d'imaginer" une nouvelle théorie comme le font tant de physiciens aujourd'hui. La répons de la nature semble être: "cessez de rêver à de nouveaux champs et à des particules bizarres, à des dimensions supplémentaires, d'autres symétries, des univers parallèles ou à des cordes"! Les données du problèmes sont donc dans la relativité générale, la mécanique quantique et son modèle standard, qu'il s'agit de combiner correctement. Cela conforte les théoriciens de gravité quantique à boucle dont Carlo Rovelli justement. En effet, ce sont les hypothèses de cette théorie. Elle a des conséquences conceptuelles radicales, qui ne sont pas des hypothèses, mais les conséquence du choix de prendre les théories au sérieux et d'en tirer les conséquences (quanta d'espace, disparition du temps). Cependant, ces preuves ne sont pas définitives et des particules supersymétriques par exemple peuvent exister à une échelle non encore atteinte. Elles pourraient exister aussi même si la théorie des boucles est exacte. Il faudra obtenir des confirmations plus solides à la théorie et chercher ailleurs. L'Univers primordial pourrait ouvrir d'autres fenêtres où les prédictions pourraient être confirmées dans un avenir pas trop éloigné... ou bien contredites

 

 

 

 

 

     2-3) Une fenêtre sur la gravité quantique. 

 

fig 1: public.planck.fr/resultats/249-planck-revele-l-invisible

fig2) journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.109.251301

Prévision possible sur le spectre du rayonnement de fond de la gravité quantique à boucles (ligne continue), confrontée à l'erreur expérimentale actuelle (points).


En disposant des équations décrivant le passage de l'Univers par la phase quantique initiale, on pourrait calculer ses effets sur l'Univers observable aujourd'hui. Il conserve des traces des faits initiaux. Il est rempli du rayonnement cosmique de fond, un océan de photons remplissant le cosmos, lueur résiduelle de la grande fournaise initiale (voir fig 1 ci-dessus). Les détails des fluctuations infimes et la structure nous racontent l'histoire de l'Univers et dans les plis de ces détails, pourrait se trouver la trace de son début quantique. La recherche en gravité quantique à boucles étudie actuellement activement dans quelle mesure la dynamique quantique de l'Univers primordial se reflète dans ces données. 

Dans les articles1209.1609 de 2012 et l'article 1302.0254 de 2013Ivan Agullo , Abhay Ashtekar et William Nelson ont calculé que, à certaines conditions, la distribution statique des fluctuations de ce fond devait se ressentir du sursaut initial de l'Univers (https://arxiv.org/pdf/1209.1609.pdf et https://arxiv.org/pdf/1302.0254.pdf)

Les fluctuations à grand angle devraient être plus importantes que celles prévues par la théorie, qui ne tient pas compte des quanta: voir la fig 2 ci-dessus où la ligne rouge est la prévision d'Ashtekar, Agullo et Nelson et les points bleus sont les données expérimentales. Comme on le voit, elles ne sont pas suffisantes pour dire si la courbe qui se situerait au-dessus de la ligne rouge (ce que prévoient les 3  auteurs), est la bonne ou pas. On se rapproche de la possibilité de tester la théorie, mais on n'y est pas encore. Et plus encore, il n'est pas certain que les hypothèses particulières du calcul soient justes. La situation est donc incertaine, mais avec l'affinement continuel de nos capacités d'observation, de mesure et de calcul, il faut guetter, dit C. Rovelli le moment où la nature nous dira si nous avions raison ou pas.

Un autre aspect des traces de l'immense chaleur qui régnait dans l'Univers primordial doit se trouver dans le champ gravitationnel. Il doit exister un rayonnement de fond gravitationnel. Ce dernier doit plus plus ancien que l'autre (le fond cosmologique), car les ondes gravitationnelles (un subtil murmure de l'espace-temps qui hurle) moins perturbées par la matière que les ondes électromagnétiques, ont pu voyager sans encombre alors que l'Univers était trop dense pour laisser passer les ondes électromagnétiques. Les ondes gravitationnelles, prédites par les équations d'Einstein ont été détectées pour la première fois le 14 aôut 2017 sur la fusion (coalescence) de deux trous noirs par le détecteur Virgo (Europe). En 09/2017, la région de l'espace d'où provenaient les ondes gravitationnelles a pu être cernée par VIRGO et LIGO (USA). Depuis, d'autres fusion de trous noirs ont pu être détectées dont la cinquième en novembre 2017. Cette fusion de trous noirs semble devenir commune, mais il convient de rappeler que l’observation des ondes gravitationnelles, "ces ondulations dans la toile de l’espace-temps engendrées par de massifs événements cataclysmiques dans un passé très lointain est l’une des découvertes scientifiques les plus importantes de notre siècle." LIGO et Virgo sont deux installations qui reflètent les faisceaux laser sur deux tunnels de 4 km. En mesurant la lumière à mesure qu’elle en sort, les scientifiques peuvent détecter les distorsions physiques aussi petites que la fraction d’un proton (voir les principes et  les caractéristiques sur ce site.

Après l'observation des ondes gravitationnelles sur terre grâce aux interféromètres, la suite de l'aventure aura lieu à partir du ciel avec le satellite LISA Pathfinder, lancé le 3 décembre 2015Sa mission scientifique avait commencé en mars 2016 pour une durée de 16 mois, elle est donc arrivée à son terme en mi-2018. La mission LISA (Laser Interferometer Space Antenna) va pouvoir maintenant mise en oeuvre. "C'est une future mission spatiale de l'Agence spatiale européenne (ESA) dont l'objectif est de détecter des ondes gravitationnelles de basse fréquence depuis l'espace. Il s'agira du premier observatoire spatial d'ondes gravitationnelles, les observatoires actuels, notamment LIGO et Virgo, étant terrestres. LISA consiste en une constellation de trois satellites en orbite héliocentrique formant un triangle équilatéral de 2,5 millions de kilomètres de côté dont les trois bras sont reliés par 6 faisceaux laser". L'ESA lancera ce détecteur d'ondes gravitationnelles en 2034  Il sera composé de trois satellites séparés de 2,5 millions de kilomètres et volant en formation en suivant la Terre sur son orbite, donc en tournant non autour de la Terre, mais autour du soleil, comme s'il s'agissait de rois petites planètes. Grâce à deux faisceaux lasers, les positions relatives des satellites pourront être mesurées à quelques millionièmes de millionièmes de mètre près. Une précision indispensable pour espérer détecter les infimes variations de la trame de l'espace induites par le passage d'une onde gravitationnelle.

Dans les infimes ridules de l'espace autour de la Terre, les scientifiques devraient parvenir à trouver des traces d'événements advenus il y a environ 14 milliards d'années, à l'origine de notre Univers, et ainsi en obtenir la confirmation de nos déductions sur la nature de l'espace et du temps.

liens: 

https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00351584/document:: Brisure de symétries en théorie des supercordes : applications en cosmologie et en physique des particules Tristan Catelin-Jullien

https://documentcloud.adobe.com/link/track?uri=urn%3Aaaid%3Ascds%3AUS%3A030c4e55-e440-4a02-9907-050403f94546:: Un théorème no-go pour les théories supersymétriques pleinement uniées brisées par un vide métastable Mémoire

 

3) La chaleur des trous noirs.

     3-1) Les trous noirs vus classiquement (mécanique classique, relativité générale).

 

 

fig 3 https://trustmyscience.com/echo-destruction-etoile-par-un-trou-noir/

Les trous noirs sont des "objets célestes si compacts que l'intensité de son champ gravitationnel empêche toute forme de matière ou de rayonnement de s’en échapper2. De tels objets ne peuvent ni émettre, ni diffuser la lumière et sont donc noirs, ce qui en astronomie revient à dire qu'ils sont invisibles". L'espace y est tellement courbe qu'il s'effondre sur lui-même et le temps y ralentit jusqu'à s'arrêter.

Les différentes sortes de trous noirs: Lorsqu’ils se forment à la suite de l’effondrement gravitationnel d’une étoile massive, on parle de trou noir stellaire, dont la masse équivaut à quelques masses solaires. Ceux qui se trouvent au centre des galaxies possèdent une masse bien plus importante pouvant atteindre plusieurs milliards de fois celle du Soleil ; on parle alors de trou noir supermassif (ou trou noir galactique). Entre ces deux échelles de masse, il existerait des trous noirs intermédiaires avec une masse de quelques milliers de masses solaires. Des trous noirs de masse bien plus faible, formés au début de l’histoire de l’Univers, peu après le Big Bang, sont aussi envisagés et sont appelés trous noirs primordiaux. Leur existence n’est, à l’heure actuelle, pas confirmée".
Il y a quatre types théoriques de trous noirs en fonction du moment cinétique (J) et de la charge électrique (Q). La masse (M) est toujours strictement positive. 1): Schwarzschild (M > 0 J =0 Q=0)   3) Kerr (M > 0 J   0 Q = 0)  2): Reissner-Nordström (M > 0 J = 0 Q ≠ 0) 4) Kerr-Newman (M > 0 J ≠ 0 Q ≠ 0)

1) Karl Schwarzschild qui, le premier, a mis en évidence ces objets comme solutions des équations de la relativité générale (les équations d’Einstein), en 1916.

2) Ces trous noirs ne présentent pas d’intérêt astrophysique notable, car aucun processus connu ne permet de fabriquer un objet compact conservant durablement une charge électrique significative
3) Les trous noirs de Kerr présentent un intérêt astrophysique considérable, ceux-ci ont tendance à absorber la matière environnante par l’intermédiaire d’un disque d’accrétion dans lequel la matière tombe en spiralant toujours dans le même sens dans le trou noir. Ainsi, la matière communique du moment cinétique au trou noir qui l’engloutit. Les trous noirs de Kerr sont donc les seuls que l’on s’attend réellement à rencontrer en astronomie).

4) de la même manière que (2), ne présente que peu d’intérêt astrophysique étant donnée sa très faible probabilité.

Le centre exact de notre Galaxie, la Voie Lactée, constitue encore une énigme totale selon le site irfu.cea.fr. La présence d'un trou noir hyper-massif, de plus de deux millions de fois la , masse du Soleil, est fortement suggérée par l'existence d'une source d'onde radio compacte et d'une forte concentration de matière modifiant le mouvement des étoiles (en 2014, date de la parution du livre de C. Rovelli, celui-ci donne le chiffre de 1 million de masses solaires). En théorie, de nombreux "petits" trous noirs entoureraient le gigantesque trou noir supermassif. Cette hypothèse uniquement théorique n'avait jusqu'à présent jamais pu être vérifiée. Mais une observation réalisée par les équipes de l'Université Columbia aux États-Unis vient juste de la confirmer le 4 avril 2018. 

Un très beau projet vient d'être lancé, dont on espère des résultats dans les prochaines années: l'Event Horizon Telescope. C'est un "vaste réseau de télescopes constitué d’un réseau mondial de radiotélescopes et combinant les données de plusieurs stations d’ interférométrie à très longue distance (VLBI) autour de la Terre. Le but est d'observer l'environnement immédiat du trou noir supermassif Sagittarius A * au centre de la Voie Lactée , ainsi que du trou noir encore plus grand de la galaxie elliptique supergéante Messier 87 , avec une résolution angulaire comparable à l' horizon des événements du trou noir. ..[1] [2] [3][4] [5]".  Depuis sa première saisie de données en 2006, la centrale EHT a été amenée à ajouter de nouveaux observatoires à son réseau mondial de radiotélescopes. La date de publication de l'image n'a pas encore été annoncée. L'image testera également Albert Einstein et la théorie générale de la relativité à l'extrême.

 

Quelques autres explications sur les trous noirs

 Au début de ce chapitre, nous avons vu que l'intensité de son champ gravitationnel est si forte qu'elle empêche toute forme de matière ou de rayonnement de s’en échapper. Ce qui rentre dans le trou noir n'en ressort plus, pas même la lumière. Sa surface est comme un présent qui s'est renfermé dans une sphère, au-delà il y a un futur, mais du futur on ne revient pas en arrière. Pour comprendre, il faut parler de la vitesse de libérationC'est, en physique, la vitesse minimale que doit atteindre un projectile au périgée de sa trajectoire pour échapper définitivement à l'attraction gravitationnelle d'un astre (planèteétoile, etc.), s'en arracher et s'en éloigner indéfiniment (à l'infini, le champ d'attraction est nul). Cette vitesse est d'autant plus importante que la masse de l'astre est importante et que l'objet est proche de son centre. Pour un objet lancé depuis la surface de la Terre, la vitesse de libération lui permettant d'échapper à l'attraction terrestre est de 11,2 km/s. Par comparaison la vitesse de satellisation minimale autour de la Terre est de 7,9 km/s. Les vitesses de libération depuis la surface du Soleil, de la Lune et de Mars sont respectivement de 617,5 km/s, 2,4 km/s et 5 km/s. Une fois qu'un objet a échappé à l'attraction terrestre, il reste, comme la Terre, soumis à l'attraction du Soleil. La vitesse de libération lui permettant d'échapper à cette attraction est de 42,1 km/s. Eh bien, pour un trou noir, cette vitesse de libération est supérieure à la vitesse de la lumière qui est de « seulement » 300 000 km/s. Or on sait depuis Einstein (et d'autres) que rien ne peut aller plus vite que la lumière, il serait donc impossible d'atteindre une vitesse suffisante pour se libérer d'une telle planète. Vitesse de libération: (1) {\displaystyle v_{l}={\sqrt {2GM \over R+d}}}. (A la surface de la planète, où d=0; elle vaut {\displaystyle v_{l}={\sqrt {\frac {2GM}{R_{i}}}}}

La vitesse de libération augmente, comme on le voit dans la formule (1), avec la masse de la planète ou de l'étoile considérée et la proximité au centre. D'où l'idée d'imaginer un astre de très grande masse condensée dans un si petit rayon que la vitesse de libération serait égale, voire même supérieure à la vitesse de la lumière. Ainsi, rien de ce qui se trouve à la surface de l'astre ne pourrait s'en échapper, car rien ne peut aller plus vite que la lumière et même la lumière ne pourrait quitter l'astre. Ici, on aurait v= c et R = 2GM/c².Ce rayon dans lequel serait concentré la masse M est appelé rayon de Schwarzschild. Un trou noir pourrait alors alors défini par un astre condensé dans un rayon inférieur ou égal au rayon de Schwarzschild. Par exemple, si on condensait le soleil dans un rayon de 2,96 km, on obtiendrait un trou noir (son rayon réel est de 696 342 km).
Horizon du trou noir: (wikipedia:) "Une fusée pourrait se tenir à une certaine distance de cette sphère horizon. C'est une hypersurface du genre lumière1, qui représente la limite de l'extension spatiale du trou noir, définissant ce qui peut être considéré comme étant sa taille. Mais, pour cela, 
la fusée devrait maintenir ses moteurs à un très haut régime pour résister à l'attraction gravitationnelle. Si quelqu'un était à l'intérieur de la fusée, le temps ralentirait" considérablement pour lui.comme on peut le voir sur le site astronomes.com, je cite, : "Au fur et à mesure qu’il va s’approcher de celui-ci, vous verrez sa montre tourner de plus en plus lentement. Le déplacement de l’aiguille correspondant à une seconde prendra de plus en plus de temps, une minute, une heure, un jour, un mois… Au moment où il atteindra le rayon de Schwarzschild, ce mouvement prendra un temps infini. L’image de votre ami restera figée pour l’éternité. Pour votre ami par contre la situation sera inversée. Quand il lira l’heure sur sa montre, il ne remarquera rien de spécial. Mais en regardant la vôtre il sera surpris. Il verra tourner l’aiguille de plus en plus rapidement, un tour sera accompli en une seconde, une milliseconde, une microseconde… Il observera bientôt la vie des étoiles se dérouler en une fraction de seconde, puis, en atteignant finalement le rayon de Schwarzschild, il pourra observer toute l’histoire future de l’Univers." Cela correspond au paradoxe des jumeaux en relativité restreinte. Ainsi, voyager dans le passé est difficile, amis voyager dans le futur est (en principe) facile. Il suffit de s'approcher d'un trou noir et de rester dans son voisinage avant de s'en éloigner. Sur l'horizon même, le temps s'arrête. Si nous nous en approchons puis nous en éloignons après quelques mn (de nos minutes), des millions d'années peuvent s'être écoulées dans le reste de l'univers.

liens: 

https://arxiv.org/pdf/1810.04103.pdf:: Shadow and Deflection Angle of Rotating Black Holes in Perfect Fluid Dark Matter with a Cosmological Constant 
http://trounoir.pagesperso-orange.fr/vitesse_de_liberation.html:: Les trous noirs https://sciencetonnante.wordpress.com/2013/06/24/que-se-passe-t-il-quand-on-tombe-dans-un-trou-noir-ou-le-probleme-du-firewall/ :: Que se passe-t-il quand on tombe dans un trou noir ? (ou le problème du firewall)

https://www.drgoulu.com/tag/trou-noir/#.W8N2MWgzaWs:: Les trous noir du Dr Goulu 
https://sciencetonnante.wordpress.com/2013/06/24/que-se-passe-t-il-quand-on-tombe-dans-un-trou-noir-ou-le-probleme-du-firewall/: Que se passe-t-il quand on tombe dans un trou noir ? (ou le problème du firewall


     3-2) Les trous noirs et la physique quantique.

 

Figure 3 – L’horizon d’un trou noir, traversé par les liens du réseau de spin qui détermine sa géométrie .https://www.cnrs.fr/publications/imagesdelaphysique/couv-PDF/IdP2011/06_Rovelli.pdf

Jusqu'à présent, nous avons vu les trous noirs sous l'aspect classique même si les descriptions de la relativité générale sont assez déconcertantes. Jusque dans les années 1970, le trou noir fut simplement considéré comme un corps suffisamment dense pour empêcher toute forme de matière ou de rayonnement de s’en échapper, d’où son nom. La relativité générale d'Einstein le décrivait assez bien et on n'avait pas besoin de la mécanique quantique pour les comprendre. Mais il y a deux aspects mystérieux des propriétés de ces trous noirs  qui réclament qu'on tienne compte de la mécanique quantique et pour chacun d'eux, la théorie des boucles donne une solution. 

Une première application de la gravitation quantique à boucles à la physique des trous noirs concerne l'effondrement d'une étoile sous l'effet de son propre poids. L'étoile disparaît aux regards extérieurs parce qu'elle est à l'intérieur de son trou noir. Au début, on n'y verrait rien de particulier. On traverserait sa surface sans dommages, surtout s'il est assez grand. Mais en suite...? La relativité générale prévoit que tout se concentre en un seul point infiniment petit pour arriver, comme dans le big bang à une concentration infinie. Mais elle oublie une force répulsive qui fait rebondir l'Univers au moment du big bang. La gravité quantique à boucles nous dit que nous devons nous attendre à ce qu'en se rapprochant du centre, la matière qui tombe soit ralentie par cette force et qu'elle atteigne une très haute densité, mais non infinie et qu'elle se concentre, mais pas en un point infiniment petit. Il y a une limite à la petitesse. Dans futura-sciences.com, Aurélien Barrau explique: "quand la densité atteindrait une valeur proche de la densité de Planck, la matière « rebondirait » et le trou noir deviendrait un trou blanc. Ainsi, la singularité centrale serait évitée grâce aux effets quantiques qui se cumuleraient et pourraient avoir une influence même à l'extérieur de l'horizon. Pour autant dans l'immense majorité de l'espace, la solution serait toujours celle des équations   d'Einstein". C'est là la première application des boucles à la théorie des trous noirs. Dans la fig. 3 de l'article "de la gravitation quantique à boucles" (voir fig 3 ci-dessus), on peut voir "la surface d'un trou noir traversée par les boucles, c'est à dire par les lignes de forces du réseau de spins qui déterminent l'état du champ gravitationnel. Chaque boucle qui entre détermine l'existence d'un quantum individuel d'aire sur la surface du trou noir"  (John Baez).

La deuxième application des boucles concerne une découverte de Stephen Hawking  au début des années 1970: les trous noirs sont chauds. C'est à dire, ils se comportent comme des corps chauds.  Il a théorisé en 1975 que les trous noirs sont "chauds", c'est à dire qu'ils se comportent comme des corps chauds: ayant une certaine température. Ils émettent de la chaleur. Ils peuvent émettre des radiations, un phénomène appelé "rayonnement de Hawking" ou "radiations de Hawking"

fig 4 Fluctuation du vide quantique et radiation de Hawking:  https://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/astronomie-rayonnement-hawking-4889/


Avec le site futura-science.com nous pouvons comprendre l'explication dans la physique quantique (voir fig 4 ci-dessus): "Les fluctuations quantiques du vide impliquées par les inégalités de Heisenberg créent des paires de particule-antiparticule virtuelles qui ne « vivent » que très peu de temps avant de s'annihiler mutuellement, sans quoi elles violeraient le principe de conservation de l'énergie" [...]Tout près de l'horizon d'un trou noir, juste son extérieur, les paires de particules peuvent être séparées par des forces de marée qui fournissent de l'énergie et rendent ces particules réelles, autant que celles qui nous entourent. Lorsque l'une d'elles passe l'horizon, pour un observateur extérieur, elle se comporte comme une particule d'énergie négative, tandis que l'autre a une énergie positive. Le même observateur extérieur voit donc de l'énergie émise par le trou noir sous forme de particules (de matière ou d'antimatière), lequel absorbe en permanence un flux d'énergie négative, ce qui, d'après la célébrissime formule E=mc2, correspond à une perte de masse. Le trou noir s'évapore avec une température de rayonnement inversement proportionnelle à sa masse, ce qui fait que l'évaporation est d'autant plus rapide que le trou noir est petit.

Mais remarque Vincent Verschoore, je cite, "qui dit rayonnement dit perte d’énergie et il devenait alors possible que les trous noirs s’évaporent avec le temps. Mais là se cache  un grave problème associé à la notion d’information qui, selon tout ce que nous pensons savoir aujourd’hui de la nature quantique de l’Univers, ne se perd pas. Dans le modèle pré-Hawking, l’information (sous forme de rayonnement ou de quoi que ce soit) qui arrivait à l’horizon du trou noir s’y retrouvait enfermée pour l’éternité, mais n’était pas perdue pour autant : elle existait toujours sous une forme ou sous une autre à l’intérieur du trou noir. Mais s’il y a évaporation, cela signifie que l’information finira par disparaître avec la disparition du trou noir. Or, l’un des piliers de la physique quantique est que l’information ne disparaît pas. Paradoxe". L'existence du rayonnement Hawking pose donc un redoutable problème connu sous le non de paradoxe de l’information qui n'est pas encore résolu.

 

Les chercheurs tentent depuis toujours de trouver une réponse à ce paradoxe comme le présente leplus.nouvelobs.com (je cite): "On a pensé que l’information se condensait au fur et à mesure de l’évaporation, mais en ce cas, des mini-trous noirs devraient se créer très facilement un peu n’importe où, ce qui n’est visiblement pas le cas. On a pensé à des manières qu’aurait trouvé la matière (porteuse d’information) pour s’échapper malgré tout d’un trou noir, mais sans succès. Sauf à reconsidérer la nature de la radiation de Hawking, qui peut-être n’était pas si parfaitement aléatoire (donc, dénuée d’information) que cela. Cette approche fut particulièrement développée en 1997 par Juan Maldacena qui utilisa la théorie des cordes pour montrer que, dans un cadre bien précis au moins, les principes de la physique quantique s’appliquent également à la surface d’un trou noir et donc, l’information ne se perd pas. Cette démonstration semble si puissante que Hawking lui-même, qui avait parié quelques année plus tôt avec le physicien John Preskill que l’information devait disparaître, s’admit vaincu et offrit en 2004 une encyclopédie de baseball à Preskill (qui la compara à un trou noir: lourde et difficile à comprendre). Mais le paradoxe n'en fut pas résolu pour autant car si l’information est conservée et donc capable de s’échapper du trou noir, il y a un coût associé, ce qui pose lui-même problème. Pour aller un peu plus loin, il faut revenir sur le principe fondamental d’intrication quantiqueOn sait que l'état intriqué existe à partir du moment où deux particules ou systèmes ont une origine commune. C'est bien le cas pour les deux particules virtuelles séparées par l'horizon du trou noir dans le cas du rayonnement de Hawking. Imaginons les deux particules intriquées, l'une à l'extérieur du trou noir, l'autre à l'intérieur. Que se passe-t-il ? Selon les postulats généralement acceptés, il se passe trois choses :

-1 l’intrication entre les deux particules est maintenue (postulat de la conservation de l’information),

-2 La première particule ne peut pas recopier toute l’information relative à la seconde avant qu’elle ne disparaisse (principe de l’impossibilité du clonage quantique),
-3 et elle tombe "normalement" vers le trou noir (principe d’équivalence, relativiste) abordé dans  Principe d’équivalence ou schizophrénie de masse?).
Mais, Hawking a démontré que si l’information est effectivement conservée et donc, l’intrication maintenue, les particules sous l’horizon du trou noir grimpent vers des niveaux énergétiques très élevés dès que de l’information est transférée vers leur partenaire extérieur. Donc selon ce modèle, le trou noir est entouré sous son horizon d’un cercle de feu (firewall) infranchissable avec une température de 10EXP32 kelvin, carbonisant toute matière s’y aventurant! C
ette idée de "barbecue cosmique" dérange la communauté des physiciens, et pourtant il n’y a pas de solution évidente : soit on accepte la perte de l’information et on remet en cause la physique quantique, soit on reconnaît que l’information ne disparaît pas mais on accepte le "barbecue". Ce problème amena un groupe de chercheurs (Ahmed AlmheiriDonald MarolfJoseph PolchinskiJames Sully), après avoir tenté sans succès de se débarrasser du "barbecue", à revoir les postulats initiaux et ils publièrent https://arxiv.org/abs/1207.3123un "papier" démontrant que les trois postulats ci-dessus (-1, -2 et -3) ne peuvent être vrais en même temps (en .pdf, il  donne:   https://arxiv.org/pdf/1207.3123.pdf).  Mais est-ce si surprenant? Cela ne fait que reposer la question du problème de l’incompatibilité entre le modèle quantique et le modèle relativiste. En effet le principe d’équivalence est issu du modèle relativiste d’Einstein et les deux premiers postulats du modèle quantique.  Et l’on sait que ces deux modèles ne se pas compatibles sur la question de la gravité – élément central du phénomène du trou noir. Si la relativité est correcte, il ne peut pas y avoir de "barbecue" (l’horizon du trou noir est constitué d’espace-temps normal), et donc la radiation de Hawking ne contient pas d’information et l’information est alors  perdue. Donc il faut revoir la physique quantique. À l’inverse, si l’horizon du trou noir représente une frontière physique (un barbecue ou autre chose permettant de maintenir les fondements quantiques), il faut revoir la relativité.Ce paradoxe oblige de nombreux chercheurs à reconsidérer un certain nombre d’hypothèses.Léonard Susskind , par exemple, se demande si la singularité supposée située au coeur du trou noir ne migrerait pas vers son horizon, affectant ainsi dramatiquement toute matière y pénétrant: voir https://arxiv.org/abs/1208.3445 (soit en .pdf: https://arxiv.org/pdf/1208.3445.pdf). Dans une autre version, l’espace-temps se terminerait à l’horizon du trou noir, et rien n’existerait à l’intérieur ou encore, le principe que rien ne peut aller plus vite que la lumière n’est pas universel (ce qui permettrait une communication entre l’intérieur et l’extérieur du trou noir via l’horizon) ou bien que l’on a tout faux, que la gravité n’existe pas et qu’il faut trouver autre chose.


liens:
 https://sciencetonnante.wordpress.com/2013/06/24/que-se-passe-t-il-quand-on-tombe-dans-un-trou-noir-ou-le-probleme-du-firewall/::  Que se passe-t-il quand on tombe dans un trou noir ? (ou le problème du firewall)

http://leplus.nouvelobs.com/contribution/815677-trous-noirs-physique-quantique-ou-relativite-qui-a-raison.htmlTrous noirs: physique quantique ou relativité. Qui a raison ?

http://www.astrosurf.com/luxorion/gravite-quantique-boucles-lqg2.htm: Astrosurf.com, la gravitation quantique à boucles 

http://www.astrosurf.com/luxorion/hawking-hommage5.htm: L'univers de hawking, les lois qui régissent l'univers, les radiations de hawking

https://www.cnrs.fr/publications/imagesdelaphysique/couv-PDF/IdP2011/06_Rovelli.pdf: Carlo Rovelli de la gravitation quantique à boucles 

 

https://www.sciencesetavenir.fr/fondamental/qu-est-ce-que-le-rayonnement-de-stephen-hawking_122036: qu'est-ce que la radiation de Hawking?

https://zerhubarbeblog.net/2017/01/15/gravite-entropique-contre-matiere-noire/Gravité entropique contre matière noire, l'approche holographique.

http://www.planetastronomy.com/special/2016-special/11mai/Perez- SAF.htmCONFÉRENCE MENSUELLE DE LA SAF «LES TROUS NOIRS ET LA GRAVITATION QUANTIQUE À BOUCLES»  Par Alejandro PEREZ  (voir :À cette occasion il est indispensable de lire la page web de Rumiano (lien suivant) sur ce sujet. 

http://nrumiano.free.fr/Fetoiles/tn_thermo.htmlThermodynamique et entropie du trou noir (En 1972, Stephen Hawking montre que la surface délimitée par l'horizon d'un trou noir ne peut pas décroître. Jacob Bekenstein fait alors l'analogie entre cette surface du trou noir qui ne peut que croître et l'entropie : si la surface représente une mesure de l'entropie du trou noir, alors le second principe est sauvegardé. Oui, mais surgit encore un nouveau problème : si le trou noir possède une entropie, alors il possède également une température. Et tout corps qui possède une température est capable de rayonner de l'énergie selon un spectre correspondant à cette température. Seulement, dans sa définition classique, rien ne peut sortir d'un trou noir. C’est là que les fluctuations quantiques du vide interviennent).

 

4) Epilogue et conclusion. 

Point sur l'évaporation des trous noirs, l'évaporation de Hawking et le  paradoxe de l’information.

Dans un article de pourlascience.fr le 19/02/2014, l'horizon des trous noirs remis en cause ?, je cite, "le physicien SW Hawking, de l’Université de Cambridge, a créé l'émoi dans la communauté des spécialistes en proposant, dans le papier "Conservation des informations et prévisions météorologiques pour les trous noirsde revoir radicalement la description des trous noirs, en abandonnant une de leurs caractéristiques principales, l'horizon des événements – du moins tel qu'il est défini actuellement. Il apporte un nouvel élément au  paradoxe de l’information et à ce débat sur la nature des trous noirs, au confluent de la relativité générale, de la mécanique quantique et de la thermodynamique, qui court depuis les années 1970.

Rappels: Le rayonnement Hawking n’est pas en contradiction avec la relativité générale. Mais il soulève comme nous l'avons vu précédemment, la question épineuse de la conservation de l’information. Le principe dit d’unitarité, en mécanique quantique, impose que l’information doit être conservée. En effet, l’équation de Schrödinger, qui décrit l’évolution d’un système isolé, est déterministe et réversible, c'est-à-dire qu’il est toujours possible de reconstruire les états antérieurs d'un système si l'on connaît son état à un instant donné. Or le rayonnement de Hawking émis par le trou noir est parfaitement aléatoire, si bien qu'il est impossible d'en tirer des informations sur ce qui est tombé précédemment dans le trou noir (derrière l'horizon des événements). L'information semble perdue de façon irrémédiable, ce qui va à l'encontre du principe d'unitarité. Certains physiciens n'ont pas accepté cette situation, mais elle est restée sans solution jusqu'en 1997 lorsque Juan Maldacena, de l’Université Harvard, a utilisé  le principe holographique qui est une conjecture spéculative dans le cadre de la théorie de la gravité quantique, proposée par Gerard 't Hooft en 1993 puis améliorée par Leonard Susskinden 1995Selon ce principe, toute l'information qui décrit une région tridimensionnelle de l’espace est contenue dans la surface bidimensionnelle qui l'entoure, de la même façon qu'un hologramme permet de reconstruire une image 3D à partir d’informations contenues sur un support 2D. Le modèle de Maldacena établit une équivalence entre un univers à trois dimensions gouverné par la gravitation (qui peut donc contenir des trous noirs) et un univers en deux dimensions dépourvu de gravitation, qui enveloppe l’espace en trois dimensions. Si la description d'un trou noir peut se faire dans l'espace à deux dimensions cela élimine le problème de la conservation de l'énergie car dans un espace à deux dimensions, il n'y a pas de trous noirs et puisque l’information est préservée dans l’univers 2D, elle l’est nécessairement dans l’univers 3D. En 2004, comme on l'a vu précédemment au chapitre 3-2, S. Hawking admettait qu’il avait eu tort de parier sur la perte de l'information dans les trous noirs. Mais une question subsistait… comment l’information est-elle concrètement préservée dans l’Univers en trois dimensions autour du trou noir? Dans les années 1990, Léonard Susskind a émis l'idée que l'information peut être portée par les particules du rayonnement de Hawking si celles-ci sont intriquées. Ce phénomène purement quantique, suppose que leurs états sont corrélés et qu'elles forment alors un système indissociable quelle que soit la distance qui les sépare. Mais cela soulève une difficulté car une particule du rayonnement Hawking est avant tout intriquée avec son antiparticule tombée derrière l’horizon des événements (dans le trou noir). Or un principe de la mécanique quantique, surnommé « la monogamie de l’intrication », stipule qu’une particule ne peut pas être intriquée avec deux systèmes indépendants en même temps (son antiparticule d’une part et le rayonnement Hawking d’autre part), car ceux-ci pourraient alors imposer à la particule des états contradictoires. Puis, en 2012, J. Polchinski et ses collègues sont arrivés à la conclusion que l’horizon serait en fait le lieu d’une émission intense d’énergie, ce que les physiciens ont surnommé « pare-feu » (firewall), car pour garantir la conservation de l’information, il faut assurer l’intrication des particules du rayonnement Hawking entre elles et donc éliminer l’intrication entre la paire de particules initiales. Or briser un tel lien libère de l’énergie. Une grande quantité d’énergie serait ainsi libérée au niveau de l’horizon des événements. Cette flambée d’énergie constitue le pare-feu, dans le sens où ce dernier "empêche l'intrication de passer" l'horizon. Mais cette solution n'est pas compatible avec la relativité générale. En effet, l’horizon des événements devient le siège de processus particuliers, décelables par l’astronaute qui le traverse. Les physiciens sont à nouveau divisés sur l'existence du pare-feu.
C'est dans ce contexte qu'est intervenu Hawking comme on l'a vu au début de ce chapitre4. Dans l'article déposé sur le serveur de prépublication Arxiv, où il expose des arguments contre l’existence du mur de feu, il propose une solution pour concilier les différentes approches. Comme, s
elon lui, le problème vient de la notion d’horizon des événements d’un trou noir, dont la définition stricte est celle de la frontière dans l’espace-temps d’où un photon ne peut s’échapper à l’infini, il suggère que des fluctuations quantiques dans la région proche de l’horizon des événements pourraient perturber et empêcher l’établissement de celui-ci. Il propose de remplacer l'horizon des événements par un « horizon apparent », qui jouerait le même rôle, mais pour une durée limitée dans le temps. En pratique, l’horizon ne définirait pas une région dont les photons ne pourraient pas s’échapper, mais une région où ils seraient piégés pendant un temps assez long. Cette instabilité permettrait ainsi à l’information de s’échapper. Ainsi, contrairement à ce qu'on a pu lire dans certains médias, Hawking ne remet pas en cause l'existence des trous noirs, il propose simplement d'en modifier la description, Mais pour l’instant, aucune équation ou modèle n'explicite sa proposition. Il n'est donc pas possible de savoir si cette proposition est correcte et si elle résout le problème sens avoir à modifier le relativité générale ou la mécanique quantique. La question reste ouverte. 

 

"La semaine du 24 au 29 août 2015, plusieurs des experts mondiaux de la physique des trous noirs ont participé à un colloque organisé par L'Institut royal de technologie (en suédois Kungliga Tekniska högskolan, KTH) à Stockholm. Le thème en était l'état de la théorie du rayonnement Hawking des trous noirs et les problèmes irrésolus qui l'accompagnent."

"Le 25 aout 2015, Hawking a tenu un séminaire annonçant qu'il pensait avoir enfin trouvé une piste sérieuse pour expliquer où se trouvait codée l'information tombant dans un trou noir. L'idée lui en serait venue en écoutant une autre conférence il y a plusieurs mois, donnée par Andrew Strominger (cordiste). Un papier commun avec ce chercheur et un ancien élève de Hawking, Malcom J. Perry (cordiste lui aussi), est annoncé pour dans quelque temps. En son absence, et malgré quelques indications données par Hawking et qui concernent des articles publiés depuis quelque temps par Strominger et disponibles sur arXiv, il est bien difficile, de l'aveu même des spécialistes, de se faire une idée de la nature et de la pertinence des arguments utilisés pour résoudre le paradoxe de l'information."


L'article se poursuit en expliquant qu'il s'agit d'une symétrie qui code l'information dans la géométrie de l'espace-temps:  "tout tourne autour des ondes gravitationnelles émises par une étoile en train de s'effondrer [...]. D'autres quantités conservées autres que l'énergie, le moment cinétique et la charge, sont "cachées" dans la structure de l'espace-temps par ces ondes associées à une symétrie des espaces-temps à l'infini. Cette symétrie est décrite par un groupe dit BMS, pour Bondi–Metzner–Sachs, ses découvreurs. Ce groupe décrit une symétrie particulière, des supertranslations (rien à voir avec la supersymétrie et la supergravité) et qui dans l'espace-temps plat, via le groupe de Poincaré (qui en est un sous-groupe), explique la conservation de la quantité de mouvement. Ce groupe BMS est associé à une structure géométrique équivalente à une sphère, comme l'est la géométrie de l'horizon des événements). 

L'article de fututa-sciences.com.poursuit, je cite: "comme dans le cas du principe holographique et de la conjecture AdS-Cft ( proposée par Juan Martín Maldacena à la fin 1997 et dont on trouve une présentation dans le blog de jean-Pierre Luminet), il semble que Hawking ait établi un pont entre ce qui se passe à l'infini de l'espace-temps entourant un trou noir, et sa dynamique, y compris son horizon, en découvrant la symétrie des supertranslations cachée dans la géométrie de cet horizon. Comme (les symétries que sont) ces supertranslations existent en nombre très élevé, et même infini en relativité générale classique. qu'en physique, des symétries dans les équations impliquent des quantités conservées, de l'information serait donc codée de façon très subtile dans la géométrie de l'horizon. Elle serait probablement très compliquée et pas parfaitement lisse comme on le pensait. C'est là que l'information serait conservée. Elle ne tomberait jamais dans le trou noir, ce qui permet peut-être de résoudre un autre paradoxe, celui du pare-feu.

L'article se termine en posant la question: "est-ce vraiment ce que Hawking a en tête?" Le saura-ton maintenant qu'il n'est plus?

En tout cas, "cette évaporation des trous noirs" est la découverte la plus importante de Hawking écrit Carlo Rovelli à la fin du chapitre 10 de "par-delà le visible". Et il rajoute: "Il est possible que la gravité quantique empêche la matière de s'effondrer complètement". 

Déjà, en 2014, il avait proposé une toute nouvelle idée sur les trous noirs et leur fin: "et si les trous noirs finissaient par exploser? Dans cet article de "lefigaro.fr", on peut lire: «Nos calculs montrent que l'effondrement de la matière dans le trou noir finit par s'arrêter, explique le physicien au Figaro. Lorsqu'on atteint une certaine densité, environ la masse du Soleil concentrée dans un seul atome, les effets quantiques de la gravité génèrent une force répulsive qui s'oppose à la contraction». Il en résulte un noyau extrêmement dense que le chercheur a baptisé «étoile de Planck». Vue depuis l'extérieur du trou noir, cette phase dure plusieurs milliards d'années. Mais, au sein du trou noir, le temps (temps propre) s'écoule différemment en raison de la forte gravité qui y règne. Pour l'étoile, cette phase ne dure en réalité qu'une fraction de seconde. Très vite, la matière rebondit violemment dans une gigantesque explosion, transformant le trou noir en trou blanc, un grand flash lumineux. «La grande beauté de cette théorie est de concilier un scénario très dynamique (l'étoile originelle se contracte et explose presque instantanément dans son référentiel de temps) avec la perception que nous avons d'un phénomène extrêmement lent», s'enthousiasme Carlo Rovelli."

En cherchant étoile de Planck dans Wikipedia.org, on trouve: "Son existence, prédite dans le cadre de la gravitation quantique à boucles, a été suggérée en janvier 2014 par deux physiciens italiens : Carlo Rovelli, de l'université d'Aix-Marseille, et Francesca Vidotto, de l'université Radboud de Nimègue3. Depuis lors, le modèle de l'étoile de Planck a été repris et développé par Carlo Rovelli avec Francesca Vidotto4Aurélien Barrau5 et Hal M. Haggard6."

Article de Carlo Rovelli , Francesca Vidotto : les étoiles de Planck (planck stars):   https://arxiv.org/abs/1401.6562 ou en .pdf: https://arxiv.org/pdf/1401.6562.pdf

Article de Aurelien Barrau  Carlo RovelliPlanck star phenomenology

 

 

 

 

.cnrs.fr/publications grains d'espace

 

Reste un problème que Hawking a laissé ouvert concerne la chaleur des trous noirs. En général, un objet est chaud parce que ses constituants microscopiques s'agitent. Les atomes d'un morceau de fer chaud vibrent très vite autour de leur position d'équilibre. Mais quels sont les atomes élémentaires d'un trou noir qui est chaud? La théorie des boucles apporte une réponse à cette question. Les atomes qui vibrent, ce sont les quanta d'espace qui sont à la surface du trou noir. L'étrange chaleur des trous noirs prédite par Hawking résulte des "vibrations" microscopiques des boucles, des atomes d'espace. Ils vibrent parce que dans le monde quantique, tout vibre, rien ne reste immobile. La chaleur des trous noirs est donc liée directement aux fluctuations des atomes d'espace de la gravité quantique à boucles. La position précise de l'horizon du trou noir est déterminée seulement à partir de ces fluctuations microscopiques du champ gravitationnel. En un certain sens, l'horizon fluctue comme un corps chaud. Carlo Rovelli précise qu'il y a "une autre façon de d'expliquer l'origine de la chaleur des trous noirs: les fluctuations quantiques impliquent une corrélation entre l'intérieur du trou noir et l'extérieur. Cette incertitude quantique existe aussi à "cheval" sur l'horizon du trou noir. Mais comme ce qui est au-delà de l'horizon échappe à notre vue, cette incertitude devient une raison supplémentaire de fluctuation de tout objet proche de la surface". Et les fluctuations ramènent à la température, car qui dit fluctuation dit probabilité, donc statistique, donc thermodynamique et donc finalement température. C'est pourquoi, en masquant une partie de l'Univers, le trou noir nous fait apparaître les fluctuations quantiques comme de la chaleur. C'est un jeune scientifique italien, Eugénio Bianchi, qui a complété un calcul très élégant qui montre comment on peut obtenir la formule prévue par Hawking à partir de ces idées et des équations de base de la gravité quantique: voir les liens suivants:

liens:

https://insidetheperimeter.ca/fr/last-gasp-black-hole/ LE DERNIER SOUFFLE D’UN TROU NOIR De nouvelles recherches effectuées à l’Institut Périmètre montrent que deux des caractéristiques les plus étranges de la mécanique quantique – l’intrication et l’énergie négative – pourraient constituer deux aspects d’une même chose. L'article de Eugenio Bianchi et Matteo Smerlak (Entropie d'enchevêtrement et énergie négative en deux dimensions).


https://en.wikipedia.org/wiki/Eugenio_Bianchi est un physicien théoricien italien et professeur adjoint à la Pennsylvania State University. Il travaille sur la gravitation quantique en boucle et la thermodynamique des trous noirs . Il a dérivé la formule de Bekenstein-Hawking S = A / 4 pour l' entropie des trous noirs non extrémaux à partir de la gravité quantique en boucle , [1] [2] pour toutes les valeurs du paramètre Immirzi  ( qui mesure la taille du quantum de surface en unités de Planck . [1] En conséquence, sa valeur est actuellement fixée en faisant correspondre l’ entropie semi-classique des trous noirs calculée par Stephen Hawking et le comptage des micro-états en gravimétrie quantique en boucle).

 

 

Mon prochain article (5) portera sur les derniers chapitres du livre de Carlo Rovelli avec la fin de l'infini, l'information (un véritable fantôme qui va hanter la physique théorique dans l'avenir) pour finir sur le mystère qui nous attend encore.

 

 

"J'ai vécu des choses extraordinaires sur cette planète, et en même temps j'ai voyagé à travers l'Univers par la pensée, au moyen de mon cerveau et des lois de la physique. J'ai atteint les confins de la Galaxie, plongé dans un trou noir et je suis revenu à l'origine du temps. Sur Terre, j'ai eu des hauts et des bas, des moments calmes et d'autres agités, j'ai connu le succès et la souffrance. J'ai été riche et pauvre, en pleine forme et handicapé. On m'a loué et critiqué, mais jamais ignoré. Mon plus grand privilège a été de contribuer à notre compréhension de l'Univers." Sans concession, l'astrophysicien se mue en philosophe, parfois pessimiste, s'interrogeant sur la condition humaine et l'avenir de notre planète. Notamment lorsqu'il met en garde contre l'évolution de l'intelligence artificielle ou affirme sa conviction que les hommes devront un jour quitter la Terre. Mais son ultime message en direction des plus jeunes est un plaidoyer en faveur de l'intelligence humaine, une invitation à s'émerveiller et à faire confiance à l'imagination. Sans oublier, jamais, de regarder les étoiles."
Les gens ont toujours cherché à répondre aux grandes questions. D'où venons-nous? Comment l'Univers a-t-il commencé ? Quel est le sens de tout ce qui nous entoure? Y a-t-il une vie ailleurs [...]? 

pileface.com: L’héritage de l’astrophysicien britannique Stephen Hawking

 

liens: 

https://web.science.uu.nl/ITF/Teaching/2016/2016Molag.pdf: The Black Hole Firewall Paradox L. D. Molag August 15, 2016

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article4347L’intrication de deux particules corrélées à distance

https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/physique-intrication-quantique-persiste-deux-photons-si-disparait-46649/ :L'intrication quantique: on vient de prouver qu'elle subsistait entre deux particules même quand l'une n'existait plus.

https://zerhubarbeblog.net/2017/01/15/gravite-entropique-contre-matiere-noire/Gravité entropique contre matière noire, l'approche holographique. Susskind et Maldacena, entre autres, ont également travaillé sur le principe holographique,  une approche spéculative considérant que la notion de volume est une illusion et que les lois physiques fondamentales agissent au niveau des surfaces. Cette approche très riche et stimulante a été décrite sur ce blog dans L’Univers, l’hologramme et nous notamment posté par Vincent Verschoore

https://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89vaporation_des_trous_noirs   voir paragraphe Trous noirs et information Le théorème no hair (de calvitie) qui énonce que seuls trois paramètres macroscopiques définissent l'état d'un trou noir pose un problème aux yeux de la théorie quantique. Si l'on envoie dans un trou noir un ensemble dit pur de particules, c'est-à-dire un faisceau cohérent (par exemple, un rayon laser, une paire de Cooper), le retour de cette énergie cohérente se fait sous la forme d'une énergie incohérente, un rayonnement thermique, un ensemble dit mixte. Or, les fonctions d'ondes qui décrivent ces deux types d'ensembles sont différents : dans le cas de l'ensemble pur les fonctions d'ondes s'additionnent vectoriellement, dans le cas d'un ensemble mixte, ce sont les carrés des modules des fonctions d'ondes qui s'additionnent. Or, et le paradoxe est là, la transformation d'un ensemble en un autre n'est pas possible au sens quantique, puisqu'il ne s'agit pas d'une transformation unitaire (qui préserve la norme de la fonction d'onde). Stephen Hawking a annoncé avoir résolu ce paradoxe, mais les détails de sa solution ne sont pas encore (02/2005) connus.

Article détaillé : Paradoxe de l'information.

https://www.lexpress.fr/actualite/sciences/stephen-hawking-le-livre-testament_2039124.html:  Stephen Hawking, le livre testament

https://arxiv.org/abs/hep-th/9601029: Origine microscopique de l'entropie de Bekenstein-Hawking par A. Strominger , C. Vafa

https://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/trous-noirs-etoile-planck-16463/:: Une étoile de Planck (Planck star en anglais) est un astre compact plus dense qu'une étoile à neutrons. Elle se présente pendant une partie de sa vie sous la forme d'un trou noir classique, comme l'ont expliqué Carlo Rovelli et Francesca Vidotto lorsqu'ils ont proposé l'existence de ce nouvel objet en physique et astrophysique théorique. L'intérieur de ce trou noir subit des effets quantiques. Ainsi, il finit par exploser en libérant son contenu. Ce modèle permet d'envisager une solution au paradoxe de l'information qui découle du rayonnement Hawking et peut-être aussi à l'énigme des sursauts radio rapides.

https://www.amazon.fr/gp/product/B00CICHJOI?ref=dbs_p2d_P_R_popup_yes_alc_T2:  A First Course in Loop Quantum Gravity 1st Edition, Format Kindle