Les étoiles mortes ne rayonnent pas
(johncarlosbaez.wordpress.com)- Une nouvelle thèse selon laquelle des objets massifs autres que les trous noirs émettraient eux aussi un rayonnement de Hawking conduit à conclure qu’une étoile morte statique perdrait de la masse puis disparaîtrait, en contradiction avec la théorie quantique des champs en espace-temps courbe telle qu’elle est établie
- Le raisonnement repose sur l’idée que le champ gravitationnel crée des paires particule-antiparticule et que le rayonnement emporte l’énergie, mais il ne dit pas par quel mécanisme les protons et neutrons constituant l’étoile disparaîtraient
- Des articles de réfutation estiment que le calcul s’appuie sur des approximations grossières qui donnent déjà des résultats faux dans des problèmes plus simples, et le résultat de 1975 d’Ashtekar et Magnon montre la stabilité du vide dans un espace-temps statique
- S’il existe un champ de Killing de genre temps partout, la symétrie de translation temporelle est satisfaite, et dans cette condition on peut construire une théorie quantique des champs distinguant particules et antiparticules, sans création spontanée de particules
- Dans le cas du trou noir de Schwarzschild, le champ de Killing cesse d’être de genre temps à l’horizon des événements, donc le même raisonnement ne s’y applique pas ; l’idée d’un rayonnement des étoiles mortes ressemble davantage à une tentative de renverser, avec des approximations plus faibles, une question réglée depuis des décennies
Point de départ de la controverse : le rayonnement de Hawking d’objets qui ne sont pas des trous noirs
- Michael F. Wondrak, Walter D. van Suijlekom et Heino Falcke soutiennent dans Gravitational pair production and black hole evaporation que des amas massifs de matière, même non assimilables à des trous noirs, émettent eux aussi un rayonnement de Hawking
- Puis, dans un nouvel article, ils affirment que même une étoile froide et morte émet un rayonnement de Hawking, perd lentement de la masse et peut finir par disparaître
- Pour que cette conclusion tienne, il faut expliquer comment les protons et neutrons à l’intérieur de l’étoile disparaissent, ce qui entre en conflit avec la conservation du nombre baryonique
- Les auteurs reconnaissent la possibilité d’une violation de la conservation baryonique, mais ne proposent aucun mécanisme expliquant comment cela se produirait
- Il reste donc l’idée suivante : le champ gravitationnel de l’étoile crée des paires particule-antiparticule, ces paires s’échappent sous forme de rayonnement, et l’étoile doit perdre de la masse pour respecter la conservation de l’énergie
Le point de conflit avec la physique établie
- Si cette thèse est juste, elle renverse les calculs établis selon lesquels un amas de matière statique n’émet pas de rayonnement de Hawking dans la théorie quantique des champs en espace-temps courbe
- Elle implique aussi que, pour que cette théorie reste cohérente, la conservation du nombre baryonique devrait échouer
- Pourtant, ces articles ont eu très peu d’impact dans la communauté des physiciens, et de courtes réfutations ont également été publiées
- Comment on “Gravitational pair production and black hole evaporation” d’Antonio Ferreiro, José Navarro-Salas et Silvia Pla souligne que l’approximation utilisée donne déjà des résultats erronés dans des problèmes plus simples
- Complex effective actions and gravitational pair creation d’E. T. Akhmedov, D. V. Diakonov et C. Schubert traite de problèmes similaires
Stabilité du vide dans les espace-temps statiques
- L’article de 1975 d’Abhay Ashtekar et Anne Magnon, Quantum fields in curved space-times, montre qu’on peut bien définir l’état du vide dans un espace-temps statique et que ce vide est stable
- La phrase clé est la suivante
- « Si l’espace-temps de fond admet un champ de Killing de genre temps partout, alors l’état du vide est effectivement stable et aucun phénomène de création spontanée de particules ne se produit. »
- Dire qu’il existe un champ de Killing de genre temps partout signifie que l’espace-temps possède une symétrie de translation temporelle
- Ashtekar et Magnon ajoutent aussi les conditions suivantes
- l’espace-temps est globalement hyperbolique (
globally hyperbolic) - l’équation d’onde d’une particule massive de spin 0 admet des solutions lisses à partir de données initiales lisses
- l’espace-temps est globalement hyperbolique (
- Dans ces conditions, on peut définir l’énergie et séparer les solutions en modes de fréquence positive et de fréquence négative
- les modes de fréquence positive correspondent aux particules
- les modes de fréquence négative correspondent aux antiparticules
- on peut alors construire, comme dans l’espace-temps de Minkowski, une théorie quantique des champs avec un vide qui ne se désintègre pas
Pourquoi le même résultat ne s’applique pas tel quel aux trous noirs
- La solution de Schwarzschild décrivant un trou noir statique possède elle aussi un champ de Killing
- Mais ce champ de Killing cesse d’être de genre temps à l’horizon des événements, si bien que le résultat d’Ashtekar et Magnon ne s’applique pas aux trous noirs
- On trouvera une explication plus pédagogique dans Quantum Field Theory in Curved Spacetime and Black Hole Thermodynamics de Robert Wald
- en particulier, la section 4.3 traite de la théorie quantique des champs dans les stationary spacetimes
- La thèse de doctorat de Valeria Michelle Carrión Álvarez, Loop Quantization versus Fock Quantization of p-Form Electromagnetism on Static Spacetimes, traite du cas de l’électromagnétisme
- Ashtekar, Magnon et Wald se concentrent surtout sur les champs scalaires massifs pour simplifier l’exposé
Les limites du journalisme scientifique et de l’évaluation par les pairs
- L’article de Wondrak, van Suijlekom et Falcke a été publié dans une revue de physique prestigieuse, mais il a été suggéré qu’il n’a peut-être pas été évalué par des spécialistes du domaine
- Même lorsqu’un article de physique paraît dans une revue réputée, il vaut mieux ne pas l’accepter tel quel sans comprendre réellement le sujet ou sans le faire vérifier par des experts de confiance
- Certains médias scientifiques ont repris le communiqué de presse sans validation par des experts, avec des titres du type « l’univers finira bien plus tôt que prévu »
- Le résultat selon lequel le champ gravitationnel d’un objet statique ne crée pas de paires particule-antiparticule a été établi rigoureusement il y a des décennies, et ce nouveau calcul approché ressemble bien davantage à un bricolage manuel qu’à un éclairage nouveau sur la question
1 commentaires
Avis sur Hacker News
Bien sûr, c’est Gandalf qui a dit ça. Avant d’essayer de me contredire, je précise que Gandalf est un magicien qui n’a pas à se soucier de broutilles comme le continuum espace-temps.
P.-S. : https://quoteinvestigator.com/2014/07/13/truth/
En conclusion, la famille d’expressions opposant la vitesse de propagation du mensonge et celle de la vérité a évolué pendant plus de 300 ans, et la phrase écrite par Jonathan Swift en 1710 peut légitimement lui être attribuée. Cela dit, cette phrase ne contient pas encore la métaphore des chaussures.
Sans puits gravitationnel dont la vitesse de libération dépasse celle de la lumière, je ne vois pas comment le rayonnement de Hawking est censé se produire dans ce scénario.
Les particules virtuelles, particule et antiparticule, survivraient toutes les deux, puis disparaîtraient rapidement, puisqu’aucune des deux n’aurait franchi l’horizon des événements.
À ma connaissance, il n’existe pas de manière à la fois exacte, intuitive et non mathématique de l’expliquer ; les vulgarisateurs scientifiques ont donc tendance à en donner une approximation d’une façon susceptible d’induire leur public en erreur.
Hawking lui-même a dit qu’« on peut se représenter, juste à l’extérieur de l’horizon des événements, une paire virtuelle composée d’une particule d’énergie négative et d’une particule d’énergie positive. Cette image du mécanisme à l’origine du rayonnement thermique et de la diminution de l’aire n’est qu’heuristique et ne doit pas être prise trop littéralement ».
Le fait que « la théorie quantique des champs dans un espace-temps courbe ne peut être cohérente que si le nombre baryonique n’est pas conservé » est-il vraiment encore choquant aujourd’hui ? J’avais l’impression que c’était une conclusion qui découlait logiquement du rayonnement de Hawking des trous noirs
J’avais déjà été choqué il y a longtemps, et je pensais que c’était désormais accepté. Les calculs des auteurs de l’article en question sont peut-être faux, mais ce billet de blog qui lance ce genre de phrase comme une vérité trop évidente me laisse une mauvaise impression. Une écriture émotionnelle du genre « si vous n’êtes pas d’accord, vous êtes idiot » ne convient pas à quelqu’un dont le métier est de convaincre scientifiquement
Wikipedia[0] cite aussi Daniel Harlow, physicien de la gravité quantique au MIT, en écrivant que « la conservation du nombre baryonique n’est pas cohérente avec la physique de l’évaporation des trous noirs par rayonnement de Hawking »
[0] https://en.m.wikipedia.org/wiki/Baryon_number
Et en plus, c’est John Baez. Il connaît bien son domaine
Pour parler du véritable point en débat, ce qui est choquant ici, c’est qu’il affirme que le nombre baryonique n’est pas conservé même sans intervention de trous noirs
Dans « Comment on ‘Gravitational Pair Production and Black Hole Evaporation’ », Antonio Ferreiro, José Navarro-Salas et Silvia Pla examinent les équations utilisées par l’article en question et proposent une meilleure méthode que de les employer telles quelles
Ils expliquent que, « alors que le résultat a été obtenu à l’ordre le plus bas du développement perturbatif, la méthode standard pour obtenir l’effet Schwinger non perturbatif à l’aide de l’approximation de champ faible consiste à resommer tous les termes »
Ils ajoutent que la méthode de l’article critiqué ne traite même pas correctement les cas qui apparaissent dans le contexte électromagnétique, et que le cas gravitationnel est encore plus difficile. C’est la même chose que ce qu’a dit Baez, mais l’article cité la présente sur un ton et avec une méthode beaucoup plus spécialisés
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.13...
Jusqu’à présent, aucune n’a observé de désintégration, et la conclusion est que la demi-vie du proton est d’au moins 2,4E34 ans. https://en.wikipedia.org/wiki/Proton_decay#Experimental_evid...
J’ai aussi lu un ancien article de Quanta Magazine qui décrit une expérience utilisant une immense cuve d’eau très pure et de nombreux détecteurs. Pas besoin de trou noir. https://www.quantamagazine.org/no-proton-decay-means-grand-u... (discussion HN https://news.ycombinator.com/item?id=13201065)
À propos de ce ton qui sous-entend que c’est tellement évident que ceux qui ne sont pas d’accord sont idiots, il existe aussi des affirmations si manifestement fausses qu’y adhérer rend idiot. Les gens répètent sans cesse les absurdités de Penrose, alors qu’elles nécessitent, pour fonctionner, un infini de type temps qui n’est pas physique
La vulgarisation actuelle, presque de la science-fiction, explique qu’on peut tomber dans un trou noir et qu’à l’horizon des événements, « il ne se passe rien de particulier ». Puis, à peu près au paragraphe suivant, elle dit qu’un observateur extérieur ne pourra jamais observer la victime tomber
Deux observateurs ne peuvent pas aboutir à des conclusions différentes sur une telle question. Pour dire cela, il faut croire qu’à un moment donné l’univers se scinde et que les deux observateurs peuvent être en désaccord, ou bien renoncer à la logique, à la cohérence, aux observateurs et à tout ce qui nous est cher en tant que physiciens
Si l’observateur extérieur ne peut pas observer la victime tomber, alors la victime ne tombe jamais. C’est cela, la réalité objective. Si le diagramme de Penrose dit autre chose, c’est parce qu’il inclut une durée infinie non physique
Même si un temps infini était « atteignable », ce ne serait ni mathématiquement sain ni physiquement sensé, et de toute façon cela n’a pas d’importance puisqu’il y a le rayonnement de Hawking. La durée de vie d’un trou noir est finie
Il n’existe qu’une seule interprétation logiquement cohérente et physiquement saine. Rien ne peut réellement tomber dedans. Un objet entrant ralentit dans le référentiel extérieur et, de son point de vue, plus il s’approche du trou noir, plus l’écoulement du temps du trou noir lui paraît s’accélérer. L’évaporation de Hawking lui paraît donc aussi s’accélérer. Pour rester cohérente avec l’observateur extérieur, cette évaporation doit être assez rapide pour empêcher la victime d’atteindre la moindre surface. À la place, le trou noir s’éloigne d’elle en s’évaporant de plus en plus vite
Les modèles similaires à celui-ci peuvent conserver tous les nombres quantiques, puisqu’ils n’ont ni pare-feu, ni frontière, ni quoi que ce soit qui « réinitialiserait » les champs quantiques. Tout est continu et cohérent, et les nombres quantiques sont aussi conservés. L’observateur extérieur voit exactement le trou noir auquel on s’attend aujourd’hui, et celui-ci se comporte et s’évapore de la même manière
J’ai l’impression qu’il y a encore quelque chose dans l’univers qui nous échappe, et que même les théories de grande unification du prochain milliard d’années risquent de passer à côté
Discussion HN de l’époque :
Universe expected to decay in 10⁷⁸ years, much sooner than previously thought (phys.org) https://news.ycombinator.com/item?id=43961226 223 points, il y a 5 jours, 323 commentaires
J’ai écrit ici un commentaire assez similaire il y a quelques jours
https://news.ycombinator.com/item?id=43964524
Oui, cet article n’a aucun sens. Il n’y a pas grand-chose de plus à dire. Il arrive que des serveurs de preprints hébergent des textes du genre qui ne passeraient pas l’évaluation par les pairs. Vous vous souvenez du « supraconducteur » coréen d’il y a environ deux ans. Les médias devraient être prudents quand ils écrivent sur ce genre de choses
« Si j’étais un journaliste scientifique écrivant un article sur ce développement supposedly fracassant, j’aurais envoyé des e-mails à quelques experts pour vérifier si c’était réel »
Avec une telle attitude, tout le monde aurait fini par croire que la Terre est plate ou que le Soleil tourne autour de la Terre. Car les experts de l’époque croyaient aussi, à tort, ces deux choses
Ce que ce problème montre, ce n’est pas tant que les auteurs originaux étaient stupides, mais plutôt que le savoir est beaucoup enfermé dans des silos
Ce n’est pas une bonne chose si l’objectif est de faire progresser le savoir de tout le monde. Quoi qu’il se passe dans le monde académique, il n’est pas bon de constater que cela échoue même entre domaines connexes relativement proches
Je ne pense pas qu’ils aient été stupides ou malveillants, mais il était peut-être assez imprudent de pousser un résultat aussi inattendu sans demander conseil
1: https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_field_theory_in_curved...
Mais le monde est complexe, et il est facile de se tromper en dehors de son domaine central. Le but du processus scientifique est de placer les résultats devant les yeux qui repéreront les erreurs. Le billet de blog lié en est un exemple. Ensuite tout le monde se dispute ou se moque, et le monde continue de tourner. Le système a fonctionné
Ce que ce processus fait mal, c’est filtrer les nouvelles idées avant que les gens n’en fassent des titres de presse. C’est certainement dommage, mais ce n’est absolument pas un échec du monde académique. Les yeux ont bien fonctionné
Cela aurait pu être corrigé. Deux ans plus tard, ils pourraient ne plus tourner autour du même siphon, mais c’est encore ce qu’ils font. C’est assez typique et assez ennuyeux
Résultat, quelqu’un continue à travailler seul sur quelque chose alors qu’on aurait pu lui dire des mois, voire des années plus tôt : « il y a un problème ici »
Dans une version scientifique, c’est un peu comme peaufiner intensément une branche avant d’ouvrir une pull request, pour s’entendre dire : « il y a une énorme fuite mémoire ici, et en plus ce que tu veux faire existe déjà avec une autre API »
Je ne sais pas trop s’il existe une solution à échelle humaine. Le paysage de la recherche est trop vaste pour relier tout le monde à tout le monde, faire en sorte que tous ceux qui ont besoin d’aide reçoivent des avis utiles, et éviter que tous ceux qui peuvent aider soient ensevelis sous des déchets à moitié cuits. Même en supposant que les motivations et incitations de la recherche soient pures de haut en bas. Dans l’analogie de la pull request, il y a aussi l’équivalent des spammeurs de CVE
Au moins, si les universités abandonnaient l’envie de publier des communiqués de presse sur tout ce qui semble susceptible de générer des clics sans vérification préalable, on réduirait parfois le risque que cela devienne un spectacle public en dehors du monde académique, mais cela ne résoudrait pas le problème de fond
Si l’on regarde la discussion HN de l’article original[1], on voit plus bas un commentaire d’A_D_E_P_T expliquant pourquoi l’article n’a aucun sens et pointant vers l’une des réfutations mentionnées dans ce billet. Ce commentaire a été downvoté par les lecteurs de HN. Je le sais parce qu’il était déjà grisé quand je l’ai upvoté il y a quelques jours
Donc ce n’est pas un silo de connaissances : nous, les gens ordinaires, voulons simplement parler des dernières percées sans y regarder de trop près. Parce que regarder de près gâche le plaisir
[1] https://news.ycombinator.com/item?id=43961226
Existe-t-il une manière simple de comprendre pourquoi un objet massif n’émet pas de rayonnement gravitationnel ? On dit qu’un observateur accéléré voit une mer de rayonnement thermique via ce qu’on appelle l’effet Unruh
Si l’on se tient debout sur une planète, on est en accélération sous l’effet de la gravité ; ne devrait-on donc pas voir un rayonnement d’Unruh ? Est-ce lié au rayonnement de Hawking ?
Ce détail m’a frappé
« [Dans leur article de 1975,] Ashtekar et Magnon supposent aussi que l’espace-temps est globalement hyperbolique »
L’hypothèse moderne n’est-elle pas que l’espace-temps est globalement plat ?
La platitude de l’espace n’est pas une hypothèse. La relativité générale ne fixe pas la courbure spatiale globale, il pourrait donc y avoir une courbure globalement négative ou positive. Simplement, nous n’en avons jusqu’à présent aucune preuve
Dans un trou noir, il y a fondamentalement une « perte d’une dimension », à mon avis. Expliquer ce que cela veut dire demanderait une discussion beaucoup plus longue, donc je ne vais pas m’y essayer ici
Il se pourrait donc que l’arrangement de trois quarks appelé « baryon » se forme en fonction du nombre de dimensions spatiales. Si 3 dimensions == 3 quarks, alors les baryons n’apparaissent qu’en 3D ; lorsque la matière atteint l’horizon des événements, les quarks pourraient être déchirés et réarrangés pour devenir quelque chose où les baryons, tout simplement, n’existent plus. Comme dans un espace à 2 dimensions, par exemple
J’aurais tendance à penser que la « surface » de l’horizon des événements est l’endroit où les lois sont conservées, et que la singularité — ou peut-être même tout l’intérieur du trou noir — pourrait ne pas exister du tout
Beaucoup des points où la relativité « casse » l’espace-temps, c’est-à-dire les problèmes d’infinis et de division par zéro, peuvent être résolus si l’on considère qu’une dimension disparaît. Par exemple, la contraction des longueurs revient à comprimer une dimension jusqu’à la faire disparaître à la vitesse de la lumière, et la dilatation du temps correspond elle aussi à la suppression d’une dimension à l’horizon des événements ou à la vitesse de la lumière
Si cela vous fait penser au principe holographique, c’est normal. De mon point de vue, les équations de Lorentz elles-mêmes expriment une façon de transformer en douceur un espace à N dimensions en un espace à (N-1) dimensions. Cela se produit sous une forme proche d’une courbe exponentielle atteignant une asymptote précisément au point où la dimension est « perdue »
La raison pour laquelle le « temps » semble toujours être une dimension spéciale, quelle que soit la dimensionnalité considérée, est, selon moi, qu’il s’agit de la dimension située « juste au-dessus » ou « juste en dessous » dans la hiérarchie des dimensions. C’est pourquoi, dans la formule de distance de l’espace de Minkowski, le « temps » doit avoir un signe opposé (+/-) à celui des autres dimensions, et cela reste vrai que l’on considère le signe du temps comme positif ou négatif, c’est-à-dire quelle que soit la convention de signature métrique
Cela signifie bien sûr que tout notre univers à 4 dimensions est un espace plongé dans un espace plus vaste et, techniquement, qu’il constitue aussi une sorte d’« horizon des événements » du point de vue d’une dimension supérieure