Ces Vérités Sur La Théorie De Stephen Hawking

La plus grande idée de la carrière scientifique de Stephen Hawking a véritablement révolutionné notre façon de concevoir les trous noirs. Ils ne sont pas complètement noirs, après tout, et c’est effectivement Hawking qui a été le premier à comprendre et à prédire les radiations qu’ils devraient émettre : les radiations de Hawking. Pourtant, pas tout de sa théorie ne serait exacte.

Il a obtenu le résultat en 1974, et c’est l’un des liens les plus profonds jamais établis entre les mondes quantiques et notre théorie de la gravitation, la Relativité Générale d’Einstein. Et pourtant, dans son livre phare de 1988, A Brief History Of Time, Hawking brosse un tableau de ce phénomène de radiation, des paires de particules et d’antiparticules créées spontanément où un membre tombe et l’autre s’échappe, qui est tout à fait inexact. Depuis 32 ans, c’est la désinformation des étudiants en physique, des profanes et même des professionnels. Les trous noirs font vraiment pourrir. Faisons en sorte qu’aujourd’hui soit le jour où nous découvrirons comment ils le font réellement.

Ce que Hawking nous aurait fait imaginer est une image relativement simple. Commencez par un trou noir : une région de l’espace où tant de masse a été concentrée dans un si petit volume que, à l’intérieur, même la lumière ne peut s’en échapper. Tout ce qui s’y aventure de trop près sera inévitablement attiré dans la singularité centrale, la frontière entre les régions échappantes et inéluctables étant appelée l’horizon des événements.

Maintenant, ajoutons la physique quantique. L’espace, à un niveau fondamental, ne peut jamais être complètement vide. Au contraire, il existe des entités inhérentes au tissu de l’Univers en lui-même, les champs quantiques, qui sont toujours omniprésents. Et, comme toutes les entités quantiques, il y a des incertitudes qui leur sont inhérentes : l’énergie de chaque champ, à n’importe quel endroit, fluctue avec le temps. Ces fluctuations de champs sont très réelles et se produisent même en l’absence de toute particule.

Dans le contexte de la théorie des champs quantiques, l’état de plus faible énergie d’un champ quantique correspond à l’absence de particules. Mais les états excités, ou les états qui correspondent à des énergies plus élevées, correspondent soit à des particules, soit à des antiparticules. Une visualisation couramment utilisée consiste à penser que l’espace vide est vraiment vide, mais qu’il est peuplé de paires de particules et d’antiparticules (en raison des lois de conservation) qui apparaissent brièvement, pour s’annihiler ensuite dans le vide du néant.

C’est là que la célèbre image de Hawking, son image grossièrement incorrecte, entre en jeu. Partout dans l’espace, affirme-t-il, ces paires de particules et d’antiparticules apparaissent et disparaissent. A l’intérieur du trou noir, les deux membres restent là, s’annihilent, et rien ne se passe. Loin à l’extérieur du trou noir, c’est la même chose. Mais tout près de l’horizon des événements, un membre peut tomber dedans tandis que l’autre s’échappe, emportant avec lui une énergie réelle. Et c’est pour cela, proclame-t-il, que les trous noirs perdent de la masse, se décomposent, et d’où proviennent les radiations de Hawking.

C’est la première explication qui suis un astrophysicien théorique, sur la façon dont les trous noirs se décomposent. Si cette explication était vraie, alors cela signifierait :

1- Le rayonnement Hawking était composé d’un mélange 50/50 de particules et d’antiparticules, puisque le membre qui tombe et celui qui s’échappe seront aléatoires.

2- Que toutes les radiations de Hawking, qui provoquent la désintégration des trous noirs, seront émises à partir de l’horizon de l’événement lui-même. 

3- Et que chaque quantum de rayonnement émis doit avoir une énorme quantité d’énergie : assez pour échapper à l’avalanche de presque, mais pas tout à fait, du trou noir.

Bien sûr, ces trois éléments sont faux. Le rayonnement Hawking est constitué presque exclusivement de photons, et non d’un mélange de particules et d’antiparticules. Il est émis à partir d’une grande région située en dehors de l’horizon des événements, et non pas directement à la surface. Et les quanta individuels émis ont des énergies minuscules sur une très grande échelle.

Ce qui est étrange dans cette explication, c’est que ce n’est pas celle qu’il a utilisée dans les articles scientifiques qu’il a rédigés à ce sujet. Il savait que cette analogie était erronée et qu’elle amènerait les physiciens à se tromper, mais il a choisi de la présenter au grand public comme si les gens n’étaient pas capables de comprendre le mécanisme réel en jeu. Et c’est dommage, car l’histoire scientifique réelle n’est pas plus complexe, mais bien plus éclairante.

L’espace vide est vraiment rempli de champs quantiques, et ces champs ont vraiment des fluctuations dans leur valeur énergétique. Il y a un germe de vérité dans l’analogie de la « production de paires particule-antiparticule », et c’est celui-ci : dans la théorie des champs quantiques, vous pouvez modéliser l’énergie de l’espace vide en additionnant des diagrammes qui incluent la production de ces particules. Mais il s’agit uniquement d’une technique de calcul, les particules et antiparticules ne sont pas réelles mais virtuelles. Ils ne sont pas réellement produits, ils n’interagissent pas avec les particules réelles et ils ne sont en aucun cas détectables.

Pour tout observateur situé n’importe où dans l’Univers, cette « énergie de l’espace vide », que nous appelons l’énergie du point zéro, semblera avoir la même valeur où qu’il se trouve. Cependant, une des règles de la relativité est que différents observateurs percevront des réalités différentes : les observateurs en mouvement relatif ou dans des régions où la courbure de l’espace-temps est différente, en particulier, seront en désaccord les uns avec les autres.

Ainsi, si vous êtes infiniment loin de toute source de masse dans l’Univers et que votre courbure spatio-temporelle est négligeable, vous aurez une certaine énergie du point zéro. Si quelqu’un d’autre se trouve à l’horizon des événements d’un trou noir, il aura une certaine énergie du point zéro qui est la même valeur mesurée pour lui que pour vous, infiniment loin.

Mais si vous essayez de faire correspondre votre énergie du point zéro à leur énergie du point zéro (ou vice versa), les valeurs ne concorderont pas. Du point de vue de l’autre, l’énergie du point zéro change en fonction de la sévérité de la courbure des deux espaces.

C’est le point essentiel derrière les radiations Hawking, et Stephen Hawking lui-même le savait. En 1974, lorsqu’il a dérivé pour la première fois les célèbres radiations Hawking, voici le calcul qu’il a effectué : il a calculé la différence d’énergie du point zéro dans les champs quantiques entre l’espace courbe autour d’un trou noir et l’espace plat infiniment éloigné.

Les résultats de ce calcul déterminent les propriétés du rayonnement qui émane d’un trou noir : non pas de l’horizon des événements exclusivement, mais de l’ensemble de l’espace courbe qui l’entoure. Il nous indique la température du rayonnement, qui dépend de la masse du trou noir. Il nous indique le spectre du rayonnement : un corps noir parfait, indiquant la répartition de l’énergie des photons et – si l’énergie disponible via E = mc² est suffisante – des particules massives et des antiparticules, également.

Il nous permet également de calculer un détail important qui n’est généralement pas apprécié : d’où provient le rayonnement émis par les trous noirs. Alors que la plupart des images et des visualisations montrent que 100% des radiations Hawking d’un trou noir sont émises à partir de l’horizon de l’événement lui-même, il est plus précis de les représenter comme étant émises sur un volume qui s’étend sur environ 10-20 rayons Schwarzschild (le rayon de l’horizon de l’événement), où la radiation diminue progressivement au fur et à mesure que l’on s’éloigne.

Cela nous amène à une conclusion phénoménale : tous les objets effondrés qui courbent l’espace-temps devraient émettre des radiations Hawking. Il peut s’agir d’une quantité infime et imperceptible de rayonnement Hawking, inondée de rayonnement thermique pour autant que nous puissions le calculer, même pour les naines blanches et les étoiles à neutrons longtemps mortes. Mais il existe toujours : c’est une valeur positive, non nulle, qui est calculable, dépendant uniquement de la masse, de la rotation et de la taille physique de l’objet.

Le problème majeur de l’explication que donne Hawking de sa propre théorie est qu’il prend un outil de calcul, l’idée de particules virtuelles, et traite cet outil comme s’il était équivalent à la réalité physique. En réalité, ce qui se passe, c’est que l’espace courbe autour du trou noir émet constamment des radiations en raison du gradient de courbure qui l’entoure, et que l’énergie provient du trou noir lui-même, ce qui fait que son horizon des événements se rétrécit lentement avec le temps.

Les trous noirs ne se décomposent pas parce qu’il y a une particule virtuelle infernale qui transporte une énergie négative, autre fantasme imaginé par Hawking pour « sauver » son analogie insuffisante. Au contraire, les trous noirs se désintègrent et perdent de la masse au fil du temps, car l’énergie émise par ce rayonnement de Hawking réduit lentement la courbure de l’espace dans cette région. Une fois qu’assez de temps s’est écoulé, et que cette durée est énorme pour des trous noirs réalistes, ils se seront entièrement évaporés.

Rien de tout cela ne doit servir à enlever à Hawking ses formidables réalisations sur ce front. C’est lui qui a réalisé les liens profonds entre la thermodynamique des trous noirs, l’entropie et la température. C’est lui qui a mis en place la science de la théorie quantique des champs et l’arrière-plan de l’espace courbe à proximité d’un trou noir. Et c’est lui qui, à juste titre, a compris les propriétés et le spectre d’énergie des radiations que les trous noirs allaient produire. Il est tout à fait approprié que la façon dont les trous noirs se décomposent, par le biais des radiations Hawking, porte son nom.

Mais l’analogie erronée qu’il a présentée dans son livre le plus célèbre, A Brief History of Time, n’est pas correcte. Le rayonnement Hawking n’est pas l’émission de particules et d’antiparticules à partir de l’horizon des événements. Il ne s’agit pas d’un membre de la paire tombant vers l’intérieur et transportant une énergie négative. Et elle ne devrait même pas être exclusive aux trous noirs. Stephen Hawking savait comment les trous noirs se décomposent vraiment, mais il a raconté au monde une histoire très différente, voire incorrecte. Il est temps que nous connaissions tous la vérité.

 

Article traduit de Forbes US – Auteur : Ethan Siegel

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