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Tout ce que vous devez savoir sur les trous noirs – Mario Gomes

Tout ce que vous devez savoir sur les trous noirs - Mario Gomes


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Avez-vous déjà vécu une situation qui suscitait un sentiment de terreur et de fascination en même temps? J'ai déjà… et je suis allé voir l'image ci-dessus: le trou noir de Gargantua du film Interstellar.

Gargantua est la seule chance pour que l'espèce humaine échappe à l'extinction, mais pour atteindre cet objectif, le protagoniste doit entrer dans le trou noir, même si cela signifie une mort certaine. L'abandon total à l'humanité et la rencontre entre un homme et le sublime mystère de l'univers ont suscité en moi ces sentiments apparemment contradictoires. J'ai donc décidé d'écrire ce texte pour vous montrer à quel point le trou noir est merveilleux et terrifiant.

Il existe deux types de trous noirs: stellaire et supermassif. Le premier est formé lorsqu'une étoile de plus de 8 masses solaires s'effondre sous l'effet de la gravité, tandis que le second survient lorsque d'énormes nuages ​​de gaz ou d'amas d'étoiles s'effondrent. Les étoiles restent dans un équilibre fin entre le rayonnement émis par le noyau de l'étoile et la gravité, ce qui, selon les découvertes d'Albert Einstein, serait un effet de la courbure de l'espace-temps (le «tissu» qui forme notre univers) causée par la masse d'un corps.

Représentation de la courbure de l'espace-temps causée par les masses de la terre et du soleil.

Rappelez-vous que nous sommes dans un espace tridimensionnel, les métaphores utilisées dans ce texte ne servent donc qu'à mieux comprendre l'univers. Ne confondez jamais la représentation avec la chose elle-même. Tant qu'il y aura des réactions nucléaires, l'étoile restera stable, mais viendra un temps (des milliards d'années) où la fusion nucléaire ne produira plus d'énergie et où l'étoile se contractera comme elle a été vaincue par la gravité elle-même. Un tel échec s'appelle l'effondrement gravitationnel.

Mais que sont les trous noirs stellaires? Et comment se forment-ils? Eh bien, la réponse à cette dernière question dépend de la masse. Si elle est trop haute, les particules ne pourront pas empêcher le noyau de l’étoile de s’effondrer sous le rayon de Schwarzschild, le transformant ainsi en un trou noir. Mais vous vous demandez peut-être: compris, mais quel est le rayon de Schwarzschild? Cela nous indique quel doit être le rayon (la distance entre le centre et n'importe quel point de la circonférence) d'un corps pour que celui-ci ne devienne pas un trou noir et reste donc stable. Exemple: le rayon de la Terre de Schwarzschild est de 9 mm. Par conséquent, pour le transformer en trou noir, une force est nécessaire pour la comprimer en dessous de cette valeur. Ainsi, tout corps peut devenir un trou noir tant que la masse est contractée en un point dont le rayon est inférieur à celui de Schwarzschild pour cet objet.

Dans le trou noir, le rayon Schwarzschild représente la distance entre la singularité et l'événement
horizon.

Le cadavre stellaire, qui reste de l'étoile après l'effondrement gravitationnel, dont le rayon est plus petit que celui de Schwarzschild, devient si dense qu'il "s'enfonce" de plus en plus profondément dans le tissu de l'univers jusqu'à devenir une singularité gravitationnelle: un point infinitésimal dans lequel les lois de la physique que nous connaissons ne sont pas applicables. Étant si dense, l'unicité fait que l'espace-temps se plie sur lui-même, créant ainsi une région sphérique possédant une immense force gravitationnelle à laquelle rien ne peut échapper; du moins pas de la même manière que vous avez entré. Pour l'ensemble composé de l'unicité et de la circonférence qu'il forme autour de lui s'appelle le trou noir. Puisque nous ne pouvons que spéculer sur l'unicité, les physiciens ont donc décidé que la meilleure chose à faire était d'étudier la surface du trou noir dans laquelle se produisent des phénomènes très fous.

Déformation dans l'espace-temps causée par les corps célestes suivants: Soleil; Nain blanc; Neutron Star et Black Hole. Il est également indiqué dans l’image que, lorsqu’il se transforme en trou noir, le rayon de la Terre serait de 0,7 pouce.

Une balle est formée par une surface plane et c'est tout ce que nous pouvons savoir d'un tel objet. La même chose est vraie avec un trou noir. La totalité de ce que nous pouvons savoir sur un tel corps céleste repose sur sa surface bidimensionnelle appelée l'horizon des événements. Ce nom est dû au fait qu'il constitue la limite imaginaire du trou noir au-delà duquel un observateur externe ne peut rien savoir des événements qui s'y déroulent. Ceci est clarifié en analysant le paradoxe du mur coupe-feu. Ce paradoxe décrit ce qui se produirait si un observateur tombait dans un trou noir supermassif alors qu'un autre l'observait. Le supermassif a été choisi parce que c'est le seul type de trou noir doté d'un éclair qui permet à un humain de ne pas mourir avant de traverser son horizon d'événements. Il y a deux astronautes, Alice et Bob, près du trou noir supermassif Sagittaire A * qui existe réellement et se trouve au centre de la Voie Lactée. Alice se dirige vers une capsule spatiale sur le point de traverser l'horizon des événements, tandis que Bob la regarde à travers un télescope fixé au vaisseau spatial.

De son point de vue, Alice abordera l'horizon des événements, qui est de plus en plus lent, jusqu'à ce qu'à un moment donné, elle se soit figée dans le temps, devienne très rouge et finisse par disparaître. Alors que, du point de vue d’Alice, rien ne changerait au premier abord car il traversait l’horizon des événements, si ce n’était que si elle regardait par le trou noir, elle verrait tout l’univers s’éloigner à grande vitesse, presque à la vitesse de la lumière. Un tel paradoxe pourrait être le résultat d'une illusion d'optique provoquée par les propriétés particulières du trou noir. Mais les deux situations, aussi absurdes que cela puisse être, sont également vraies. Qu'est-ce qui explique l'observation du même corps céleste par Alice et Bob qui aboutit à deux réalités physiques totalement différentes? Et quelles sont les caractéristiques du trou noir qui poussent Alice à regarder l'univers s'éloigner à grande vitesse, tandis que Bob le voit s'arrêter à temps alors qu'il approche de l'horizon des événements, devient rouge et disparaît? Telles étaient les questions qui se posaient après que je sois tombé sur le paradoxe de l'information vécu par les deux astronautes hypothétiques auquel je tenterai de répondre dans les prochains paragraphes.

Cependant, il faut d’abord comprendre comment l’image se forme dans l’œil humain. La lumière après avoir atteint un corps est réfléchie et pénètre dans l'œil humain dans lequel, par l'action du cerveau, transforme la lumière en image. Lorsque Alice traverse l'horizon des événements, la limite conceptuelle une fois dépassée ne peut plus être renvoyée, les photons (particules de lumière) qui l'ont touchée à la réflexion se retrouvent piégés dans le trou noir et n'atteignent pas les yeux de Bob, l'empêchant de tomber. Créez une photo d'elle. C’est pourquoi elle disparaît. Pour ce qui est du temps, j’ai répété à maintes reprises que le trou noir est la région de l’espace-temps qui s’est plié au-dessus d’une singularité gravitationnelle. Dans un corps aussi céleste, le temps a été déformé de telle sorte que lorsque vous vous en approchez, tout ralentit jusqu'à ce que vous ayez le sentiment qu'il n'existe plus.

Pour comprendre comment cela se produit, le phénomène dans lequel Alice voit l’univers s’éloigner très rapidement d’elle nécessite deux choses. La première est que bien que n'étant pas dans un trou noir, le reste de l'univers s'éloigne réellement de vous à 74 kps par mégaparsec. Cela serait visible si vous pouviez visualiser le bord de votre horizon cosmologique (la limite de l'univers observable) immobile, car le déplacement de la distance entre vous et votre horizon cosmologique reste le même que dans le paradoxe d'Achille et la tortue. La seconde est que tout ce qui entre dans un trou noir, y compris la lumière réfléchie par l’univers observable d’Alice, converge vers le caractère unique et le champ visuel de l’astronaute. Ainsi, lorsque les photons traversent l'horizon des événements et se dirigent vers le point focal (zone où les rayons lumineux sont capables de former une image), Alice forme devant elle l'image de l'univers observable dans son ensemble, comprimée en un seul point. Pour visualiser cette image, je vous recommande de lire la nouvelle La Aleph de Jorge Luís Borges. Avec l'univers observable si proche d'elle, Alice est capable de voir l'horizon cosmologique; d'où la vue de tout s'éloignant d'elle à grande vitesse. Et pourquoi devient-il rouge à l'approche de l'horizon des événements?

La réponse à cette question nous a été fournie par Stephen Hawking, qui, en combinant le domaine de la mécanique quantique avec celui de la relativité générale, a découvert que quelque chose pouvait sortir du trou noir sous forme de rayonnement thermique, appelé rayonnement de Hawking. , à cause des fluctuations quantiques. vide. Celles-ci sont dues au mouvement continu à proximité de l'horizon d'événements de paires de particules et d'antiparticules virtuelles (l'adjectif étant dû au fait que ces corps existent depuis très peu de temps) qui se repoussent. L'antiparticule est attirée par l'unicité en libérant son partenaire d'énergie positive dans l'espace extra-atmosphérique. Cela se traduit par la perte progressive d'énergie et de masse par le trou noir qui disparaîtra après des milliards de dollars. Mais comment est-ce possible si le vide est l'absence de quelque chose? En fait, le vide n’est pas aussi vide que nous l’avons été enseigné, ce qui est contraire au principe d’incertitude élaboré par le physicien Werner Heisenberg. Une telle formulation théorique, déjà prouvée expérimentalement, postule l’impossibilité pour un observateur de mesurer simultanément la position et la vitesse d’une particule. Si le vide absolu était possible, l'énergie d'une particule serait nulle, de sorte que sa vitesse et sa position auraient la même valeur; Cela signifie que les deux pourraient être mesurés, ce qui est contraire au principe d'incertitude. Le fait qu’un trou noir libère des radiations a amené Stephen Hawking et Jacob Bekenstein à découvrir qu’il contenait une entropie qui était profondément liée au concept d’information. Mais qu'est-ce que l'entropie, l'information et comment ces deux éléments sont-ils liés dans un trou noir?

Les trous noirs sont les plus gros disques durs de l’univers, bien que nous n’ayions pas jusqu’à présent accès aux données les concernant.

Au lycée, des professeurs de physique enseignent que l'entropie est une quantité thermodynamique liée à la mesure du désordre d'un système physique. Dire qu'il y a plus de désordre dans une flaque que dans un glaçon est une interprétation subjective. Mais si ce n'est pas l'encombrement d'un système qui est mesuré, alors de quoi s'agit-il? Grâce aux travaux du physicien Ludwig Boltzmann (fondateur de la mécanique statistique) et du mathématicien Claude Shannon (père de la théorie de l'information), la communauté scientifique a découvert que l'entropie mesure la probabilité de tous les états possibles pouvant être adoptés par les particules constituant un système . . En d'autres termes, l'entropie est la mesure de la probabilité que des éléments constitutifs se distribuent dans toute configuration possible dans un système donné. L'information est la propriété qui définit la disposition, l'état et la position des particules élémentaires. Ainsi, plus l'information d'un système est importante, plus son entropie est grande. Jacob Bekenstein et Stephen Hawking ont poursuivi leurs recherches et ont découvert que l'entropie, et donc les informations sur les particules, d'un trou noir reposent entièrement sur son horizon d'événements. Ceci est contradictoire, car dans l’ensemble de l’univers, l’augmentation de l’entropie entraîne une augmentation du volume d’un système et non de sa surface. La paire a décidé de calculer l'entropie d'un trou noir. Pour cela, ils ont cherché à répondre à la question suivante: quelle devrait être la plus petite zone possible pouvant être occupée par un seul bit, unité minimale d’information pouvant être également probable dans l’une des deux configurations (0 ou 1), de sorte que l’horizon des événements être entièrement couvert? La réponse est que non seulement le trou noir, mais l’ensemble du cosmos est constitué d’infinies unités d’informations dont la surface est mesurée en longueur de Planck et dont la valeur est 0,00000000000000000000000000000016 mètres. C'est incroyablement petit.

Chaque unité d'entropie de l'horizon des événements est formée, selon les lois de la physique, par quatre zones de Planck.

Cette nouvelle compréhension des trous noirs a fourni aux physiciens une base plus solide pour étudier l'univers et a répondu à la question que j'ai posée dans ce texte: pourquoi Alice et Bob ont-ils vécu des réalités physiques aussi disparates? Étant dans un trou noir, Alice interagit avec plus de bits que Bob, ce qui entraîne des réalités physiques distinctes. Cependant, la découverte du rayonnement de Hawking a apporté à la communauté scientifique un nouveau problème, car dans le processus d’évaporation du trou noir, quelque chose de très important est apparemment supprimé de l’univers: l’information. Mais ceci, selon la mécanique quantique, ne peut pas être perdu. De là découle le paradoxe de l'information. Comme vous l'avez peut-être remarqué, Alice et Bob sont des métaphores pour décrire ce qu'il advient des particules tombant dans le trou noir selon la relativité générale et la mécanique quantique, respectivement. Ce paradoxe a été résolu en comprenant que toute l’entropie d’un trou noir se trouve à sa surface.

Infographie sur le paradoxe de l'information. À gauche se trouve la description de la relativité générale sur le trou noir qui constitue la réalité vécue par Alice, à droite, celle de Bob, décrite par la mécanique quantique.

Selon la relativité générale, l'information qui traverse l'horizon des événements est perdue à jamais, mais la mécanique quantique postule que l'information est indestructible. Autrement dit, il est récupérable, de sorte que l'état de tout système est réversible. même si la technologie pour cela n'a pas encore été créée. En d'autres termes, je pourrais recréer les arbres de leurs cendres grâce à une technologie permettant d'inverser le processus. La contradiction entre deux approches également vraies de la réalité (relativité générale et mécanique quantique) a suscité un débat dans les années 1990 entre Stephen Hawking et Leonard Susskind. Il a fait valoir que des informations étaient perdues à jamais, car elles traversaient l'horizon des événements, alors qu'une telle perte était impossible. Pendant le débat, des travaux théoriques ont établi la relation entre entropie et information. Susskind et son ami Gérard ‘t Hooft ont compris que si l’entropie d’un trou noir, un objet tridimensionnel, se trouvait sur une surface bidimensionnelle, il en allait de même pour l’information. Voici le principe holographique: l'information des choses tridimensionnelles tombant dans un trou noir est codée sur sa surface bidimensionnelle. Ainsi, les informations ne sont pas perdues, elles ne sont inaccessibles à cause de nos limitations technoscientifiques actuelles.

Le paradoxe de l’information a finalement été résolu, mais Stephen Hawking n’a pas accepté cette solution, car c’était une conjecture non étayée et parce que Susskind et Gerard ‘t Hooft avaient étendu le principe holographique du trou noir à l’univers tout entier. Ils ont affirmé que si tout ce qui tombe dans un trou noir, qui fait partie de l'espace-temps, est stocké dans l'horizon des événements, alors tout dans l'univers est codé sur une surface à deux dimensions qui est l'horizon cosmologique. L'univers est donc un hologramme. Cela ne signifie pas que notre réalité est fausse, car d'un point de vue scientifique l'hologramme et la surface en saillie sont équivalents, de sorte que nommer tel ou tel faux est un choix subjectif. La majorité de la communauté scientifique n'a pas accepté jusqu'à ce que le physicien argentin Juan Maldacena apparaisse dans la communauté scientifique. À travers des équations, il a découvert une correspondance mathématique entre un univers holographique et la surface responsable de la projection. Un tel mode de réalisation s'appelle une correspondance AdS / CFT. Face à ce nouveau fait, Hawking a reconnu la défaite et a modifié ses propres idées, comme tout être humain devrait le faire.

Le principe holographique a des implications philosophiques importantes pour l'espèce humaine: puisque l'univers et tout ce qu'il contient ont une projection tridimensionnelle d'informations codées sur une surface à deux dimensions, où en sommes-nous vraiment? Qui ou qu'est-ce que nous sommes vraiment et quelle est notre vraie forme? Les réponses se trouvent dans les trous noirs où la relativité générale et la mécanique quantique se rencontrent. Il nous appartient d'oser plonger dans le profond mystère de l'existence, car nous y trouverons un trésor incalculable.

Bibliographie:

Livres:

GALFARD, Christophe. O universo em suas mãos: je parle de moi. Rio de Janeiro: Casa da Palavra, 2016.

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STRATHERN, Paul. Hawking e os buracos negros em 90 minutes. Rio de Janeiro: J. Zahar, 1998.

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Des articles:

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Sites Internet:

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Les pare-feu de trous noirs confondent les physiciens théoriques. Disponible dans: https://www.quantamagazine.org/black-hole-firewalls-confound-thoretical-physicists-20121221/

Asimov Explica # 2 - Que pensez-vous de Buracos Negros? Disponible dans: https://universoracionalista.org/asimov-explica-2-buracos-negros/

FAQ de base sur les trous noirs. Disponible dans: https://www.youtube.com/watch?v=ACCeFVeT984

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Black Holes Explained - De la naissance à la mort. Disponível: https://www.youtube.com/watch?v=e-P5IFTqB98

Buracos Negros. Disponible dans: https://universoracionalista.org/buracos-negros

Gravidade quântica leva une singularidade dos buracos negros. Disponible dans: https://universoracionalista.org/gravidade-quantica-leva-a-singularidade-dos-buracos-negros/

Comment nous savons qu'il existe des trous noirs. Disponible dans: https://www.youtube.com/watch?v=sgIqRwvaBw4

Informação é une realidade fondamentale? Disponible dans: http://hyperhumanism.com/informacao-e-a-realidade-fundamental/

Dans un trou noir. Disponible dans: http://www.hawking.org.uk/into-a-black-hole.html

Leonard Susskind sur le monde comme hologramme. Disponible dans: https://www.youtube.com/watch?v=2DIl3Hfh9tY

Dix choses que vous ignorez sur les trous noirs. Disponible dans: http://blogs.discovermagazine.com/badastronomy/2008/10/30/ten-things-you-dont-know-about-black-holes/

Et si vous tombiez dans un trou noir? Disponible dans: https://www.youtube.com/watch?v=xr_h4sSMwPw

Ce que nous savons sur les trous noirs. Disponible dans: https://blogs.scientificamerican.com/guest-blog/what-we-know-about-black-holes-the-game-is-afoot/

Pourquoi les trous noirs pourraient-ils supprimer l'univers - Le paradoxe de l'information. Disponible dans: https://www.youtube.com/watch?v=yWO-cvGETRQ

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