Le dernier souffle d’un trou noir

La mécanique quantique est notoirement étrange. Prenons par exemple l’intrication : lorsque deux ou plusieurs particules sont intriquées, leurs états sont liés, peu importe la distance qui les sépare.

Si, avec votre esprit classique, vous êtes choqué par cette idée, vous n’êtes pas le seul. Au centre de tout, selon la mécanique quantique, la nature a une certaine quantité d’instabilité irréductible. Même le néant – le vide de l’espace – peut être instable ou, comme disent les physiciens, fluctuer. Lorsque cela se produit, une particule et son antiparticule peuvent naître spontanément.

Par exemple, un électron et un antiélectron (appelé positon ou positron) peuvent surgir du néant. Nous savons que ces deux particules ont un spin de un demi, qui peut être vers le haut ou vers le bas. Nous savons aussi que ces particules ont été créées à partir de rien, de sorte que la somme de leurs spins doit être nulle. Enfin, nous savons que le spin de l’une ou l’autre particule n’est pas déterminé tant qu’il n’est pas mesuré.

Supposons alors que l’électron et le positon s’éloignent l’un de l’autre, de quelques mètres ou de quelques années-lumière, puis qu’une physicienne décide de mesurer le spin de l’une des deux particules, mettons l’électron. Elle constate que le spin de l’électron est vers le haut et, à ce moment précis, le spin de l’électron devient vers le haut. Entre-temps, à quelques mètres ou quelques années-lumière de là, le spin du positon devient vers le bas. Instantanément. C’est là l’étrangeté de l’intrication quantique.

L’énergie négative est moins bien connue que l’intrication, mais elle n’en est pas moins étrange pour autant. Elle commence avec l’idée – peut-être déjà implicite du fait que le positon et l’électron surgissent du néant – que l’espace vide n’est pas vide. Il est rempli de champs quantiques, et l’énergie de ces champs peut fluctuer quelque peu.

De fait, l’énergie de ces champs peut plonger, quoique brièvement, sous zéro. Lorsque cela se produit, une petite région de l’espace peut, pendant un court moment, peser moins que rien – ou, du moins, peser moins que le vide. C’est un peu comme de trouver des terres émergées sous le niveau de la mer.

Malgré leur bizarrerie apparente, l’intrication et l’énergie négative font l’objet de beaucoup de recherches. Mais maintenant, selon une nouvelle recherche publiée sous forme d’une communication brève dans Physical Review D, ces deux étranges phénomènes pourraient être liés d’une manière surprenante.

Ces travaux sont l’œuvre de Matteo Smerlak, postdoctorant à l’Institut Périmètre, et d’Eugenio Bianchi, ancien postdoctorant à l’Institut Périmètre (maintenant professeur à l’Université d’État de Pennsylvanie et adjoint invité à l’Institut Périmètre). « L’énergie négative et l’intrication sont deux des caractéristiques les plus étranges de la mécanique quantique, déclare M. Smerlak. Nous pensons maintenant qu’elles pourraient constituer deux aspects d’une même chose. » [traduction]

Plus précisément, les deux chercheurs ont prouvé mathématiquement que toute influence externe qui modifie l’intrication d’un système dans le vide doit aussi produire une certaine quantité d’énergie négative. Selon eux, la réciproque est également vraie : une densité d’énergie négative ne peut jamais être produite sans que l’intrication ne soit directement affectée.

Pour le moment, ce résultat ne s’applique qu’à certains champs quantiques à deux dimensions – p. ex. des impulsions lumineuses voyageant dans un sens ou dans l’autre le long d’un câble fin. Et c’est avec ce type de lumière que les chercheurs de l’Institut Périmètre espèrent voir leur idée directement mise à l’épreuve.

« On connaît certains états quantiques ayant une énergie négative. L’un deux porte le nom d’“état comprimé” et peut être produit en laboratoire par des dispositifs optiques appelés compresseurs » [traduction], ajoute Matteo Smerlak. Ces dispositifs manipulent la lumière pour produire un motif observable d’énergie négative.

N’oublions pas que l’argument de base de MM. Smerlak et Bianchi est que si une influence externe affecte l’intrication dans le vide, elle libérera également une certaine énergie négative. En optique quantique, les compresseurs constituent cette influence externe.

Les expérimentateurs devraient pouvoir rechercher la corrélation prédite par ces récents travaux entre les motifs d’intrication et les densités d’énergie négative. Si ces résultats sont confirmés – ce qui n’est pas acquis étant donné la nouveauté de ces travaux – et s’ils peuvent réaliser le difficile passage de deux dimensions au monde réel, il y aura alors des implications surprenantes dans le cas des trous noirs.

Comme les compresseurs mentionnés plus haut, les trous noirs produisent aussi des modifications d’intrication et de densité d’énergie, en séparant des paires de particules intriquées et en choisissant de préférence celles qui ont une énergie négative.

Rappelons que le vide est rempli de paires de particules et d’antiparticules qui surgissent du néant. Dans des circonstances normales, elles disparaissent tout aussi rapidement, puisque la particule et l’antiparticule s’annihilent mutuellement. Mais, juste à l’horizon des événements d’un trou noir, il arrive parfois que l’une des particules soit absorbée dans le trou noir alors que l’autre s’en échappe. Le faible jet de particules qui s’échappent est connu sous le nom de rayonnement de Hawking.

En émettant un tel rayonnement, les trous noirs perdent lentement leur énergie et leur masse, et finissent au bout du compte par disparaître. Ce processus d’évaporation des trous noirs est un sujet brûlant en physique. Ces nouvelles recherches pourraient changer notre manière d’aborder ce sujet.

« Dans les dernières phases de l’évaporation d’un trou noir, l’énergie libérée par le trou noir deviendra négative », poursuit M. Smerlak. Et si un trou noir libère de l’énergie négative, son énergie totale augmente au lieu de diminuer. « Cela signifie que le trou noir va lentement rapetisser – pendant une durée interminable –, mais qu’à la fin, il va libérer son énergie négative dans un ultime halètement avant de mourir. Et sa masse va brièvement augmenter. » [traduction]

Appelons cela le dernier souffle d’un trou noir.

– Erin Bow

Lire l’article de MM. Smerlak et Bianchi dans Physical Review D.