Rien ne sort des trous noirs?

[invite79e2e10e]

Je suis actuellement en train de lire un livre de Stephen Hawking et il y a une partie (parmis tant d'autres) de son explication que je n'arrive pas vraiment à discerner.

«Une autre manière de voir ce processus consiste à considèrer le membre de la paire qui tombe dans le trou noir - par exemple lantiparticule - comme une particules voyageant en réalité à reculons dans le temps. Ainsi lantiparticule tombant dans le trou noir peut être considérée comme une particule sortant du trou noir, mais en reculant dans le temps. Lorsque la particule atteint le point où la paire particule-antiparticule s'est originellement matérialisée, elle est dispersée par le champ gravitationnel, si bien qu'elle avance dans le temps.»
- Trous noirs et bébé univers, chapitre 9 (La mécanique quantique des trous noirs)


J'aimerai avoir plus d'explications s'il vous plaît
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[Deedee81]

Salut,

Pfffff..... point de vue scientifique, Hawking est un géant (j'ai lu certains de ses travaux, c'est fantastique) mais comme vulgarisateur.... Bon.

Je ne suis pas d'accord avec son explication. En théorie quantique des champs (physique des particules), on deux solutions aux équations : une d'énergie positive, une d'énergie négative. C'est une conséquence de la relativité (dans la formule liant l'énergie aux autres grandeurs, l'énergie apparait au carré et peut donc être aussi bien positive que négative). Or pour des particules quantiques, l'énergie apparait dans la fonction d'onde comme un produit E*t (énergie fois le temps), donc peu importe que ce soit l'énergie ou le temps qui aie un signe négatif. On réinterprète donc ces solutions comme ayant une énergie positive mais la particule remontant le temps. Attention toutefois :
- ca reste une particule, pas une antiparticule
- c'est purement formel, on change le signe de t. Il n'y a pas de voyage dans le temps.
Ensuite, la physique est invariante sous symétrie CPT : inversion des charges, de la parité et renversement du temps. Donc en appliquant cette symétrie, notre particule devient une antiparticule, d'énergie positive et avançant normalement dans le temps. Donc : non, les antiparticules ne remontent pas le temps

Mais il reste encore des solutions aux équations même après tout cela : des particules ou des antiparticules d'énergie négative, avançant normalement dans le temps. On ne les prend pas en compte habituellement car elles n'apparaissent pas.
Sauf.... en espace-temps courbe (gravitation, relativité générale). Dans ce cas, ces solutions apparaissent inévitablement (de même dans les référentiels accélérés).

Enfin, le vide quantique est remplit de paires de particules/antiparticules, d'énergie positive et négative qui apparaissent spontanément et disparaissent aussi vite. Attention, ce n'est pas nécessairement l'antiparticule qui a une énergie négative. Et d'ailleurs, cela se produit aussi avec les photons qui sont leurs propres antiparticules (photon = antiphoton).

Il se fait qu'avec un trou noir on calcule que la particule d'énergie négative a plus de chance de tomber dans le trou noir, diminuant son énergie totale, la particule d'énergie positive s'échappant donnant un rayonnement (très très faible).

Notons que les fluctuations quantiques sont bien testées : effet Casimir, effet Lamb,...
Mais le rayonnement de Hawking (ou sa version restreinte sans trou noir : l'effet Unruh) n'a jamais été vérifié : trop faible. Même si on allait juste à coté d'un trou noir on n'arriverait pas à mesurer quoi que ce soit avec nos instruments actuels. On pourrait faire l'essai avec un miroir : un miroir accéléré doit aussi émettre un tel rayonnement..... mais aucune chance d'arriver à le mesurer.

[Yvan_Delaserge]

Enfin, le vide quantique est remplit de paires de particules/antiparticules, d'énergie positive et négative qui apparaissent spontanément et disparaissent aussi vite.

Mais est-ce que ça ne viole pas le principe de la conservation de l'énergie?
Ou de la masse?
Si une paire particule-antiparticule s'annihile elle crée un photon.
On peut donc penser que la paire particule-antiparticule est elle-même créée à partir d'un photon.
Mais comment expliquer que des particules (possédant une masse) ou des photons (possédant de l'énergie) apparaissent à partir du vide?

[Deedee81]

Mais est-ce que ça ne viole pas le principe de la conservation de l'énergie?
Ou de la masse?
Si une paire particule-antiparticule s'annihile elle crée un photon.
On peut donc penser que la paire particule-antiparticule est elle-même créée à partir d'un photon.
Mais comment expliquer que des particules (possédant une masse) ou des photons (possédant de l'énergie) apparaissent à partir du vide?

Plusieurs choses mais (presque) tout découle du principe d'indétermination de Heisenberg.
https://fr.wikipedia.org/wiki/Principe_d'incertitude
Il est dû au caractère ondulatoire des particules quantiques.

On a toujours deux quantités conjuguées X et Y et une règle qui dit :
"l'incertitude sur X * l'incertitude sur Y est supérieure ou égale à la constante de Planck divisée par 2pi".

On a une telle règle pour position - impulsion et une pour énergie - temps.
Un exemple d'application est donné par les excitations des électrons dans les atomes. Lorsqu'un électron absorbe de l'énergie, il grimpe dans un état excité plus énergétique. Puis au bout d'un certain temps (qui dépend des niveaux électroniques et des lois de la mécanique quantique) il retombe, généralement en émettant un photon. Ce photon a une énergie égale à l'énergie absorbée et égal à la différence d'énergie des deux états de l'électron.
Cette énergie est bien précise. Mais comme l'électron ne reste dans l'état excité qu'un certain temps, cela introduit une incertitude sur l'énergie. Et ainsi, le photon émit peut avoir une énergie un peu différente de la différence d'énergie des deux états (mais toujours la valeur de l'énergie absorbée). On appelle cela "largeur naturelle des raies" en spectroscopie (en général c'est complètement noyé dans les variations d'énergie d'origine Doppler / thermique).

Bref. Si un phénomène est court, son énergie est imprécise. Ainsi, une fluctuation quantique peut avoir une énergie très variable.
Par contre, si la fluctuation dure longtemps, par exemple parce qu'une des deux particules créées est absorbée par un trou noir, alors l'énergie sera très précise. Comme la paire est née du vide, forcément, son énergie totale doit être zéro. D'où une particule d'énergie positive (qui s'échappe) et une d'énergie négative (qui est absorbée). donc l'énergie totale est conservée.

On peut aussi créer des paires particules/antiparticules à partir d'un photon, en effet, mais il y a aussi les fluctuations du vide. De telles fluctuations peuvent même naître autour de particules existantes. On parle de particules habillées.

Grumpf l'article wikipedia en français sur les fluctuations quantiques est peau de chagrin, et celui en anglais pas beaucoup mieux.
Ici :
http://www.lajauneetlarouge.com/arti...s#.WO8-vXqiRyo
Voir le premier dessin dans l'article. On montre une telle particule avec une fluctuations quantiques.

Mais il il y a aussi les fluctuations "vide - vide" qui sont celles qu'on retrouve dans Hawking / Unruh.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Yvan_Delaserge]

Ok donc une paire particule-antiparticule peut naître spontanément du vide du fait de la fluctuation quantique. Alors je suppose que l'inverse doit être vrai aussi. A savoir qu'un photon peut disparaître sans apparition de particules. Au total, la quantité de masse et d'énergie contenues dans l'univers ne change pas...Est-ce correct?

[pm42]

Ok donc une paire particule-antiparticule peut naître spontanément du vide du fait de la fluctuation quantique.

Elles apparaissent et s'annihile. Le bilan est nul.

Alors je suppose que l'inverse doit être vrai aussi. A savoir qu'un photon peut disparaître sans apparition de particules.

En quoi le bilan serait nul ? De l'énergie disparaitrait.

[papy-alain]

Elles apparaissent et s'annihile. Le bilan est nul.

Si le bilan est nul, qu'est ce que l'énergie du vide ?

[pm42]

Si le bilan est nul, qu'est ce que l'énergie du vide ?

Quel est le rapport avec la disparition spontanée d'un photon ?

[papy-alain]

Quel est le rapport avec la disparition spontanée d'un photon ?

Aucun. Ta phrase n'était pas en rapport avec la disparition du photon, mais avec l'annihilation des particules virtuelles.

[invite6486d7bd]

Or pour des particules quantiques, l'énergie apparait dans la fonction d'onde comme un produit E*t (énergie fois le temps), donc peu importe que ce soit l'énergie ou le temps qui aie un signe négatif. On réinterprète donc ces solutions comme ayant une énergie positive mais la particule remontant le temps. Attention toutefois :
- ca reste une particule, pas une antiparticule
- c'est purement formel, on change le signe de t. Il n'y a pas de voyage dans le temps.
Ensuite, la physique est invariante sous symétrie CPT : inversion des charges, de la parité et renversement du temps. Donc en appliquant cette symétrie, notre particule devient une antiparticule, d'énergie positive et avançant normalement dans le temps. Donc : non, les antiparticules ne remontent pas le temps

En fait, je vois les choses un peu différemment (je peux me tromper bien sûr), et au contraire, je pense que les "particules" "remontant dans le temps" sont bien des "antiparticules". (ce qui ne veut pas dire que vous ayez fondamentalement tord), et je m'explique :

Ce n'est pas parce-que notre temps macroscopique ne s'écoule que dans un seul sens que ça doit se passer de la même manière à l'échelle de la particule.

Les phénomènes qui se produisent à notre échelle sont irréversibles, non pas parce que la physique change, mais parce que les phénomènes qui s'y produisent ne sont pas des phénomènes élémentaires.
Les phénomènes macroscopiques sont composés des phénomènes élémentaire réversibles, mais le phénomène macroscopique a la propriété de ne pas "faire un", dans le sens où les chemins qui mèneraient à nouveau au point initial passent par des phénomènes élémentaires dont l'ordre de succession modifie le phénomène macroscopique.

Alain Connes le dit comme ça : Mettre un verre sur la table et verser de l'eau à son emplacement n'est pas équivalent à verser de l'eau à son emplacement puis poser le verre sur la table. Il y a non commutation.
Les phénomènes élémentaires composant le phénomènes macroscopiques ne commutent pas.

Alors qu'un niveau élémentaire, et tout à fait physiquement, il y a réversibilité (formelle si vous voulez, mais c'est toujours formel en physique...)
Donc non effectivement : Les particules (au sens large, particules et antiparticules) ne "voyagent" pas dans "le" temps (notre temps macroscopique) mais le sens de leur écoulement du temps, peut être vu arbitrairement, par nous, identique au notre ou inversé selon qu'on considère la nature de la particule (particule ou antiparticule).

Évidemment...nous avons déjà défini notre sens d'écoulement du temps, dans notre phénoménologie dans laquelle nous avons placés ces entités découvertes au fur et à mesure, et pour lesquelles nous avons donné des valeurs à leurs propriétés.
Ce qui fait qu'on sait très bien de quoi on parle lorsqu'on désigne une antiparticule (et qu'on ne la confond pas avec une particule), au sein de notre phénoménologie.
Ce qui fait que ce qui peut être vue comme un choix arbitraire d'un point de vue théorique à l'échelle de la particule, ne l'est pas à notre échelle. (ce choix arbitraire a déjà été effectué depuis longtemps et tous nos appareils de mesure sont faits conformément à ce choix)

Maintenant, à savoir si les antiparticules sont très exactement (ce point est important) les symétriques (selon notre modèle physique) des particules, c'est à dire que tous les phénomènes qu'on pense élémentaires présentent les mêmes valeurs (inversée) si je puis dire simplement, c'est une autre affaire.
Voir peut-être l'avis ici : http://www.csnsm.in2p3.fr/IMG/pdf/rayonnement_CNRS.pdf

Après, je suis une quiche en physique.
A voir donc si j'ai réussi à être compréhensible.

[pm42]

Après, je suis une quiche en physique.

En effet mais tu ne peux pas t'empécher de nous faire des tartines de théories perso et gloubi-boulga dans chaque fil. C'est assez lourd (comme remarqué par Gilgamesh sur un autre fil).
Tout ton truc sur le temps ne référence aucune théorie, aucun article et ne prend pas en compte le fait que certaines particules sont leur anti-particules par ex.

A voir donc si j'ai réussi à être compréhensible.

Pas plus que d'habitude mais je pense que ce n'était pas le but...

[papy-alain]

[QUOTE=Yvan_Delaserge;5883171]Ok donc une paire particule-antiparticule peut naître spontanément du vide du fait de la fluctuation quantique.[QUOTE]

Elles apparaissent et s'annihile. Le bilan est nul.

Je reviens sur cette remarque que je n'ai pas comprise. Comment un bilan énergétique peut il être nul et qu'en même temps on calcule une valeur qui atteint 10¹¹³ joules par mètre cube ?

[pm42]

Je reviens sur cette remarque que je n'ai pas comprise. Comment un bilan énergétique peut il être nul et qu'en même temps on calcule une valeur qui atteint 10¹¹³ joules par mètre cube ?

Le bilan énergétique moyen des fluctuations est nul : quand une particule et son antiparticule apparaissent puis disparaissent en très peu de temps, c'est comme si rien ne s'était passé : au début on a disparition d'énergie, apparition de 2 particules.
Puis ces 2 particules ont disparu en émettant la même énergie que celle nécessaire a les créer.

Il ne faut pas confondre le bilan énergétique d'une fluctuation comme ça avec la valeur totale de l'énergie du vide. Cela revient à confondre hauteur d'une vague avec la profondeur de l'océan.

[papy-alain]

Le bilan énergétique moyen des fluctuations est nul : quand une particule et son antiparticule apparaissent puis disparaissent en très peu de temps, c'est comme si rien ne s'était passé : au début on a disparition d'énergie, apparition de 2 particules.
Puis ces 2 particules ont disparu en émettant la même énergie que celle nécessaire a les créer.

Il ne faut pas confondre le bilan énergétique d'une fluctuation comme ça avec la valeur totale de l'énergie du vide. Cela revient à confondre hauteur d'une vague avec la profondeur de l'océan.

Si c'était comme si rien ne s'était passé, d'où vient l'énergie du vide, qui agit concrètement sur la matière, comme dans l'expérience des miroirs qui met en évidence l'effet Casimir ?

[invite6c093f92]

Si c'était comme si rien ne s'était passé, d'où vient l'énergie du vide

Tu viens de le dire....elle vient du vide (en tant que "champs minimal").

[Yvan_Delaserge]

Et dans le cas du rayonnement de Hawking, si une des deux particules est captée par un trou noir, l'annihilation mutuelle est rendue impossible. Donc le bilan total est qu'on a deux particules de plus dans l'Univers. Mais en compensation, on a de l'énergie qui a été prise où?

[pm42]

Et dans le cas du rayonnement de Hawking, si une des deux particules est captée par un trou noir, l'annihilation mutuelle est rendue impossible. Donc le bilan total est qu'on a deux particules de plus dans l'Univers. Mais en compensation, on a de l'énergie qui a été prise où?

Non, ce qu'on a, c'est un trou noir qui s'évapore. Donc 1 particule qui en est sortie et qui a donc été prise dedans.
Note que l'explication à base de 2 particules et d'effet de marée est une vulgarisation et pas l'explication du phénomène. Tu as plus d'infos dans le post de Gilgamesh ici :
http://forums.futura-sciences.com/as...ml#post5768915

C'est le problème habituel de réfléchir sur la base de la vulgarisation : on arrive facilement à des conclusion fausses.

[papy-alain]

Tu viens de le dire....elle vient du vide (en tant que "champs minimal").

Donc ce ne sont pas les particules virtuelles qui génèrent l'énergie du vide ?

[Deedee81]

Salut,

Donc ce ne sont pas les particules virtuelles qui génèrent l'énergie du vide ?

L'énergie du vide n'est pas générée. Ce n'est pas une dynamo

Notons quatre choses :
- La seule chose qui a réellement un sens avec l'énergie est de parler de ses variations. On ne saurait pas mesurer l'énergie du vide car pour ça il faudrait ... détruire le vide !!!! Mais on peut parler de la variation dans différentes circonstances (comme avec l'effet Casimir)
- l'énergie totale a une importance en relativité générale (source de la gravitation) mais on sait bien que l'énergie du vide n'intervient pas comme telle ou pas aussi simplement, sinon on n'existerait même pas
- en théorie quantique des champs, on adapte la formulation de façon à avoir une énergie du vide égale à 0. En fait ce procédé est analogue à une renormalisation.
- en théorie quantique des champs en espace-temps courbe, on a des situations avec variation d'énergie du vide. Mais là aussi il faut passer par une renormalisation ce qui rend le résultat non prédictible (par la théorie).

Bref c'est compliqué et il reste des zones d'ombres.

[papy-alain]

Merci, Deedee, mais alors quel sens faut il donner à cette notion d'énergie colossale de 10¹¹³ joules par m³ telle qu'elle a été calculée ?

[Deedee81]

Salut,

Merci, Deedee, mais alors quel sens faut il donner à cette notion d'énergie colossale de 10¹¹³ joules par m³ telle qu'elle a été calculée ?

Excuse-moi, je n'ai pas tout suivi Tu parles de l'énergie du vide ? C'est ça ?

Dans ce cas, il s'agit d'un calcul formel.... mais on sait qu'il est faux (constante cosmologique phénoménale), ce qu'on ne sait pas trop c'est pourquoi.
En tout cas, l'énergie du vide en théorie quantique des champs est..... infinie.
Pour ce calcul là, il faut se renseigner, je ne sais pas comment on procède.

En regardant ici :
https://en.wikipedia.org/wiki/Zero-point_energy
https://en.wikipedia.org/wiki/Cosmological_constant
Il me semble qu'ils limitent simplement la somme sur les fluctuations quantiques en utilisant l'échelle de Planck.
A confirmer.

Perso, ça ne m'étonne pas trop que cela donne un résultat aberrant, même si j'ai déjà lu des propos un peu à l'emporte pièce comme "le plus gros écart entre la théorie et l'observation en physique". Moi je dirais plutôt "le plus gros écart entre une spéculation naïve et l'observation en physique" Mais ce n'est que mon sentiment.

[Yvan_Delaserge]

C'est ça que l'on appelle l'énergie noire, ou bien ça n'a rien à voir?

[Deedee81]

Salut,

C'est ça que l'on appelle l'énergie noire, ou bien ça n'a rien à voir?

L'énergie noire est le nom donné à l'accélération de l'expansion de l'univers, simplement par ce que dans les modèles cosmologiques en relativité générale, on peut représenter cet effet par une constante cosmologique qui a les dimensions d'une énergie "exotique" (de pression négative et donc répulsive).

Mais l'origine du phénomène reste encore incompris. Il y a des dizaines d'hypothèses mais on a surtout besoin d'observations pour savoir quelle est la bonne idée.
L'énergie du vide ou des trucs du genre quintessence, ce n'est qu'une possibilité parmi d'autres.

[papy-alain]

Et puis, le noir est la couleur favorite des astrophysiciens (énergie noire, matière noire, corps noir, trou noir,...)

[Deedee81]

Et puis, le noir est la couleur favorite des astrophysiciens (énergie noire, matière noire, corps noir, trou noir,...)

Favorite, tu n'as pas tort.

On a tendance à qualifier de noir ce qui est inconnu (corps noir et trou noir c'est pour une autre raison). Et :
- il y a encore beaucoup de choses qu'on ne connait pas
- on aime bien ce qu'on ne connait pas

Mais sinon tout l'arc-en-ciel y passe : naine blanche, naine brune, géante rouge, géante bleue, etc...