Un nouveau modèle théorique pourrait résoudre une énigme vieille de 50 ans sur l’entropie des trous noirs. Développé par des physiciens aux États-Unis, en Belgique et en Argentine, le modèle utilise le concept de trou de ver de mécanique quantique pour compter le nombre de microétats quantiques dans un trou noir. Les décomptes qui en résultent sont en accord avec les prédictions faites par la formule d’entropie dite de Bekenstein-Hawking et pourraient conduire à une compréhension plus approfondie de ces objets astrophysiques extrêmes.
Thermodynamique des trous noirs
Les trous noirs tirent leur nom du fait que leur intense gravité déforme tellement l’espace-temps que même la lumière ne peut s’échapper après y être entrée. Cela rend impossible d’observer directement ce qui se passe à l’intérieur. Cependant, grâce aux travaux théoriques réalisés par Jacob Bekenstein et Stephen Hawking dans les années 1970, nous savons que les trous noirs ont de l'entropie, et la quantité d'entropie est donnée par une formule qui porte leurs noms.
En thermodynamique classique, l'entropie résulte du chaos et du désordre microscopiques, et la quantité d'entropie dans un système est liée au nombre de microétats cohérents avec une description macroscopique de ce système. Pour les objets quantiques, une superposition quantique de microétats compte également comme un microétat, et l’entropie est liée au nombre de façons dont tous les microétats quantiques peuvent être construits à partir de telles superpositions.
Les causes de l’entropie des trous noirs restent une question ouverte et une description purement mécanique quantique a jusqu’à présent échappé aux scientifiques. Au milieu des années 1990, les théoriciens des cordes ont trouvé une méthode de comptage des microétats quantiques d'un trou noir qui concorde avec la formule de Bekenstein-Hawking pour certains trous noirs. Cependant, leurs méthodes ne s’appliquent qu’à une classe spéciale de trous noirs supersymétriques dotés de charges et de masses finement réglées. La plupart des trous noirs, y compris ceux produits lors de l’effondrement des étoiles, ne sont pas couverts.
Au delà de l'horizon
Dans ce nouveau travail, des chercheurs de l'Université de Pennsylvanie, de l'Université Brandeis et de l'Institut de Santa Fe, tous situés aux États-Unis, ainsi que des collègues de la Vrije Universiteit Brussel en Belgique et de l'Instituto Balseiro en Argentine, ont développé une approche qui nous permet de jeter un coup d'œil à l'intérieur d'un trou noir. intérieur. Écrire dans Physical Review Letters, ils notent qu'un nombre infini de micro-états possibles existent derrière l'horizon des événements d'un trou noir – la surface limite d'où aucune lumière ne peut s'échapper. En raison des effets quantiques, ces microétats peuvent se chevaucher légèrement via des tunnels dans l’espace-temps appelés trous de ver. Ces chevauchements permettent de décrire les microétats infinis en termes d'un ensemble fini de superpositions quantiques représentatives. Ces superpositions quantiques représentatives peuvent, à leur tour, être comptées et mises en relation avec l'entropie de Bekenstein-Hawking.
Selon Vijay Balasubramanian, physicien de l'Université de Pennsylvanie qui a dirigé la recherche, l'approche de l'équipe s'applique aux trous noirs de n'importe quelle masse, charge électrique et vitesse de rotation. Cela pourrait donc offrir une explication complète de l’origine microscopique de la thermodynamique des trous noirs. Selon lui, les microétats des trous noirs sont « des exemples paradigmatiques d'états quantiques complexes avec une dynamique chaotique », et les résultats de l'équipe pourraient même contenir des leçons sur la façon dont nous pensons à de tels systèmes en général. Une extension possible consisterait à rechercher un moyen d’utiliser des effets quantiques subtils pour détecter les microétats des trous noirs à l’extérieur de l’horizon.
La complexité quantique pourrait résoudre un paradoxe de trou de ver
Juan Maldacena, un théoricien de l'Institute for Advanced Study de Princeton, aux États-Unis, qui n'a pas participé à cette étude, qualifie la recherche de perspective intéressante sur les microétats des trous noirs. Il note qu'il est basé sur le calcul des propriétés statistiques du chevauchement des états purs des trous noirs préparés via différents processus ; alors qu'on ne peut pas calculer le produit interne entre ces différents états, la théorie de la gravité, grâce aux contributions des trous de ver, permet de calculer les propriétés statistiques de leur chevauchement. La réponse, dit-il, est de nature statistique et dans le même esprit qu'un autre calcul de l'entropie des trous noirs effectué par Hawking et Gary Gibbons en 1977, mais elle fournit une image plus vivante des micro-états possibles.
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- La source: https://physicsworld.com/a/quantum-mechanical-wormholes-fill-gaps-in-black-hole-entropy/