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Une simulation de trou noir en laboratoire apporterait une nouvelle contradiction en physique

Une nouvelle expérience permettrait de simuler un trou noir afin de démontrer si des informations disparaissent lors de l’évaporation de trous noirs. Le paradoxe de l’information, selon lequel une information pourrait fondamentalement disparaitre dans un trou noir, à la suite de l'évaporation de celui-ci, a en effet amené un paradoxe dans notre compréhension de la physique.

Il y a 43 ans, Stephen Hawking a opposé les lois de la mécanique quantique à la théorie de la relativité générale d’Einstein, en émettant sa théorie de l’évaporation des trous noirs. Depuis, le débat persiste sur la disparition possible d’information lors de l’évaporation de ces derniers. Ce débat agite aujourd’hui encore la communauté des physiciens. En effet, la mécanique quantique stipule que la probabilité, ou l’information, doit être préservée avant et après tout processus physique. L’apparente perte de ces informations suite à l’évaporation d’un trou noir impliquerait que la relativité générale et la mécanique quantique, deux piliers de la physique moderne, pourraient être en conflit.

Fig.1: Accelerating mirror mimics evaporating black hole. Left: Black hole Hawking evaporation and the trapping of the partner modes near the horizon. Right: An accelerating mirror also has a horizon and can also emit Hawking particles and trap their partner modes. The analogy between these two systems may be appreciated via Einstein’s equivalence principle.

Jusqu’à présent, les recherches menées sur ce paradoxe étaient d’ordre théorique du fait de la difficulté d’observation de trous noirs assez anciens. Conformément à la théorie, un trou noir de taille solaire prendrait 1067 années pour s’évaporer entièrement, alors que notre univers n’est âgé que de 1010 années. De fait, tous les trous noirs observables, comme cela a été le cas pour le trou noir responsable des ondes gravitationnelles observé par LIGO en 2016, sont trop jeunes pour fournir des indices utiles sur ce paradoxe de disparition d’information.

Dans un papier publié dans Physical Review Letters le 23 janvier dernier, Pisin Chen, professeur de physique et directeur du Leung Center for Cosmology and Particle Astrophysics (LeCosPA) à la National Taiwan University, et Gérard Mourou, professeur et directeur de l’International Center for Zeta-Exa-Watt Science and Technology (IZEST) à l’École polytechnique, expliquent leur stratégie pour simuler l’évaporation du trou noir à l’aide d’une expérience utilisant un laser de pointe et des nanotechnologies.

Ils prévoient d'imiter les évolutions des trous noirs à des stades plus tardis que ceux que l'on observe, et de révéler ainsi des détails cruciaux sur la façon dont l'information peut être préservée lors de l'évaporation des trous noirs.

Le principe de l’expérience :

Conformément au principe d’équivalence d’Einstein, un miroir accéléré se déplaçant presque à la vitesse de la lumière partage un certain nombre de traits commun avec un véritable trou noir. Dans les deux cas, il existe un « horizon des événements » au-delà duquel la lumière ne peut revenir vers l’observateur. Près de cet horizon, les fluctuations quantiques du vide interagissent en produisant des paires particules-antiparticules, ce qui émet un rayonnement à l’origine de l’évaporation du trou noir : le rayonnement d’Hawking. Certaines particules ainsi créées pourraient être absorbées par le trou noir, tandis que leurs particules complémentaires seraient piégées dans le voisinage de l’horizon des évènements jusqu’à ce que le trou noir s’évapore entièrement ou que le miroir s’arrête brusquement. Les particules ou antiparticules piégées seraient alors libérés d’un seul coup. L’objet de cette expérience est de constater si et comment le rayonnement de Hawking se créé et donc de quelle manière l’information est préservée.

Il est déjà possible d’utiliser un laser intense au sein d’un plasma pour entraîner les électrons du plasma dans son sillage. Déclenchés par des lasers extrêmement intenses, ces perturbations de la densité du plasma peuvent être si concentrées qu'elles peuvent servir de miroir réfléchissant. Les auteurs ont souligné dans le document qu'en adaptant correctement la densité d'une cible à couche mince à l’aide des nanotechnologies, le miroir plasma relativiste ainsi créé s'accélérerait tandis que le laser continuerait à pénétrer dans des régions de densité plus élevée permettant d’entretenir ce miroir. Au moment où le laser quitte la cible à couche mince, le miroir plasma stoppe brusquement son mouvement, ce qui imite la fin de l'évaporation du trou noir (fig. 2).

Ce papier, publié sous le titre de « Accelerating Plasma Mirrors to Investigate Black Hole Information Loss Paradox » par la Physical Review Letters, un des plus prestigieux journaux de physique au monde, a été mis à l’honneur par PRL dans leur suggestion de la rédaction. Il a également été repris par le magazine en ligne de l’American Physical Society, Physics.

Une collaboration internationale a été mise en place entre la National Taiwan University, l’École polytechnique, la Kansai Photon Research Institute à Kyoto et l’Université Shanghai Jiao Tong pour mener à bien cette expérience.

Fig.2: A schematic diagram of the proposed analog black hole experiment. The first, gaseous and uniform plasma target is used to prepare a high intensity x-ray pulse. The x-ray pulse will then induce an accelerating plasma mirror due to the increasing plasma density in the second target. As the mirror stops abruptly, it will release either a burst of energy or zero-point fluctuations. The entanglement between either of these signals and the Hawking photons emitted earlier is measured upstream.

 
 Pisin Chen                  Gérard Mourou

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