[ Cet article est une traduction d'un article de Sabina Hossenfelder ]«Brève histoire du temps» de Stephen Hawking a été l'un des premiers livres non romanesques que j'ai lus, et je l'ai détesté. Je détestais ça parce que je ne comprenais pas. La frustration de ce livre est devenue l'une des principales raisons pour lesquelles je suis devenu physicien - enfin, au moins je sais qui en être responsable.
Remarque trad.: J'ai ajouté des liens et quelques illustrations, et j'ai également supprimé une partie du texte qui n'était pas particulièrement pertinente pour l'affaire (l'endroit est indiqué dans le texte).
Le message original ne peut pas se vanter d'une structure narrative idéale que je n'ai pas modifiée. Mais le problème est très important et pertinent, et pour sa discussion et son explication à Sabina, on peut pardonner les erreurs de style.
Le message peut être considéré comme un commentaire détaillé sur la récente publication de la traduction d'Ethan.
J'ai arrêté de détester ce livre - je dois admettre, avec la suggestion de Hawking, que l'intérêt du grand public pour les problèmes fondamentaux de la physique (liés aux trous noirs) a été enflammé. Mais de temps en temps, je veux toujours frapper le foutu livre. Non pas parce que je ne la comprends pas, mais parce qu'elle a convaincu tant de gens
qu'elle la comprend.
Dans ce livre, Hawking a peint une image élégante de l'évaporation des trous noirs, qui est maintenant utilisée partout. À son avis, les trous noirs s'évaporent, car des paires de particules virtuelles se formant près de l'horizon sont déchirées par les forces de marée. L'une des particules apparaît au-delà de l'horizon des événements, tombe dans un trou noir et la seconde s'envole. En conséquence, un trou noir émet constamment des particules sur l'horizon des événements. C'est simple, intuitif et complètement faux.
Une telle explication n'est qu'une simple illustration, pas plus. En réalité - vous ne serez pas surpris - la situation est plus compliquée.
Les paires de particules - pour autant qu'il soit logique de parler de particules en physique quantique - ne sont pas localisées dans l'espace. Ils sont "étalés" sur une région de l'espace comparable au rayon d'un trou noir (
environ Trans. Similaire à la façon dont un électron ne se déplace pas sur une orbite spécifique autour du noyau d'un atome, étant à un moment donné sur lui, mais est "étalé" autour du noyau. ). Les paires de particules n'apparaissent pas comme des points, mais comme des nuages, floues partout autour du trou noir, et elles ne sont séparées qu'à des distances comparables au rayon du trou noir. L'image que Hawking a peinte pour des non-spécialistes n'est appuyée par aucun calcul. Il y a un élément de vérité en lui, mais il ne faut pas le prendre trop au sérieux - il peut devenir une source de nombreuses idées fausses.
Le fait que l'explication de Hawking ne soit pas exacte n'est pas nouveau - depuis le début des années 70, on sait que le rayonnement de Hawking ne se produit pas à l'horizon. Déjà dans le
manuel de Birrell et Davis (1984), il est clairement écrit que si nous supposons l'occurrence d'un rayonnement à l'horizon et considérons le processus de rayonnement dans la direction opposée dans le temps: pour suivre les particules approchant l'horizon des événements de loin et en augmentant la fréquence ("
décalage bleu "), cela ne donnera pas une description correcte de la zone proche de l'horizon des événements. L'approche correcte serait différente: les particules de la paire Hawking à la naissance sont «tachées» et mélangées les unes aux autres, de sorte que nous ne pouvons les parler de «particules» que dans le sens local (
nous entendons le système de coordonnées local du point de vue de GR, env. . ). De plus, il faut honnêtement considérer des quantités observables, comme le tenseur moment-momentum.
L'hypothèse de l'apparition de paires à une certaine distance de l'horizon des événements était nécessaire pour résoudre l'énigme que les physiciens étaient perplexes dans les années 70-80. La température de rayonnement d'un trou noir est très basse vue de loin. Mais pour que ce rayonnement s'échappe de l'attraction du trou noir, il doit d'abord posséder une énergie énorme près de l'horizon. Et puis un observateur tombant dans un trou noir se transformerait en cendres, traversant une zone avec une telle énergie. Cela à son tour viole le
principe d'équivalence , selon lequel un observateur tombant dans un trou noir ne devrait rien remarquer d'inhabituel en traversant l'horizon.
Pour résoudre ce problème, il faut tenir compte du fait que le rayonnement ne peut pas être considéré comme provenant de l'horizon lui-même. Si nous calculons honnêtement
le tenseur d'énergie cinétique près de l'horizon, il s'avère qu'il est suffisamment petit et le reste lors du franchissement de l'horizon. En fait, il est si petit qu'un observateur qui tombe ne peut remarquer la différence avec un espace plat qu'à des distances comparables au rayon d'un trou noir (qui est également la taille de la courbure spatio-temporelle). Alors tout converge et aucune violation du principe d'équivalence ne se produit.
[Je sais que tout cela ressemble au
problème de pare -
feu dont j'ai
parlé plus tôt, mais c'est un effet légèrement différent.
(Remarque: Le problème du pare-feu se pose si nous considérons l'enchevêtrement entre la particule émise et celle qui est tombée dans un trou noir. Pour satisfaire aux principes de la mécanique quantique, ces corrélations doivent être détruites. Lorsque les corrélations sont détruites, une énorme énergie est libérée qui crée un «pare-feu» à l'horizon.) Cela provoque divers problèmes lors du calcul près de l'horizon. L'idée d'un pare-feu peut être critiquée sur la base du fait que le tenseur de moment d'énergie n'a pas été calculé dans l'
article original sur un pare-feu . Contrairement à d’
autres, je ne pense pas que le problème soit le suivant.]
La vraie raison, appuyée par des calculs, est que les particules sont émises par des trous noirs parce que le concept d'une particule est différent pour différents observateurs.
Nous sommes habitués au fait que la particule est soit localisée avec nous, soit non localisée. Cependant, cela n'est vrai que tant que nous nous déplaçons uniformément les uns par rapport aux autres. Si l'observateur (nous) accélère, la définition même d'une particule change pour lui. Ce qui ressemble à un vide vide pour un observateur avec un mouvement uniforme est rempli de particules pendant l'accélération.
Cet effet tire son nom de
Bill Unruh , qui l'a proposé presque simultanément avec l'hypothèse Hawking du rayonnement des trous noirs. L'effet lui-même est trop faible pour nos accélérations habituelles, et nous ne le remarquons jamais.
L'effet Unruh est étroitement lié à l'effet d'évaporation du trou noir de Hawking. Lorsque des trous noirs apparaissent, la matière qui s'effondre dans un trou noir crée un espace-temps dynamique, ce qui conduit à une accélération entre les observateurs dans le passé et dans le futur. En conséquence, l'espace-temps autour de la matière qui s'effondre, qui ne contenait pas de particules avant l'apparition du trou noir, est rempli de rayonnement thermique aux derniers stades de l'effondrement. C'est-à-dire que le rayonnement de Hawking est le même vide qui entourait à l'origine la substance s'effondrant (
exactement comme dans l'effet Unruh, le vide est rempli de rayonnement lorsque l'observateur accélère ).
C'est la source du rayonnement du trou noir: la définition même d'une particule dépend de l'observateur. Pas aussi simple qu'une image Hawking, mais beaucoup plus précis.
L'image de Hawking des paires particules-antiparticules à l'horizon est devenue si étonnamment populaire que même certains physiciens croient maintenant que c'est exactement ce qui se passe (
Note.per. Au message de Sabina, je l'ai moi-même pensé à ma honte ). Le fait que le décalage vers le bleu du rayonnement lorsque l'on considère sa propagation dans le temps de l'infini à l'horizon donne tant d'énergie à l'horizon a été perdu dans la littérature. Malheureusement, l'incompréhension de la connexion entre le flux de particules de Hawking loin du BH et près de l'horizon des événements conduit à la conclusion incorrecte que ce flux est beaucoup plus fort qu'il ne l'est réellement. Par exemple, cela a
conduit Mersini-Houghton à des erreurs en
déduisant que les trous noirs n'existent pas du tout.
(
Remarque. En outre, l'article est raccourci pour plus de lisibilité, le message original traite du livre "Action fantasmagorique à distance" et des calculs où la distance exacte à laquelle le rayonnement Hawking se produit - à plusieurs rayons BH - est calculée et la source de l'effet est discutée en détail )
Si le livre de Hawking m'a appris une chose, c'est que les métaphores visuelles collantes peuvent être autant une malédiction qu'une bénédiction.
