La superposition quantique n'est pas seulement une propriété des particules subatomiques mais aussi des objets les plus massifs de l'univers. C'est la conclusion de quatre physiciens théoriciens australiens et canadiens qui ont calculé la réponse hypothétique d'un détecteur de particules placé à une certaine distance d'un trou noir. Les chercheurs disent que le détecteur verrait de nouveaux signes d'espace-temps superposés, ce qui implique que le trou noir peut avoir simultanément deux masses différentes.
Les trous noirs se forment lorsque des objets extrêmement massifs comme des étoiles s'effondrent en une singularité - un point de densité infinie. Le champ gravitationnel d'un trou noir est si grand que rien ne peut échapper à ses griffes, pas même la lumière. Cela crée une région sphérique de l'espace autour de la singularité entièrement coupée du reste de l'univers et délimitée par ce que l'on appelle un horizon des événements.
Un domaine de recherche actif sur la physique des trous noirs cherche à développer une théorie cohérente de la gravité quantique. C'est un objectif important de la physique théorique qui réconcilierait la mécanique quantique et la théorie de la relativité générale d'Einstein. En particulier, en considérant les trous noirs en superposition quantique, les physiciens espèrent mieux comprendre la nature quantique de l'espace-temps.
Détecteur Unruh-deWitt
Dans le dernier ouvrage, rapporté dans Physical Review Letters, Josué Foo ainsi que Madeleine Zych de l'Université du Queensland avec Cémile Arabaci ainsi que Robert Mann à l'Université de Waterloo décrivent ce qu'ils décrivent comme un nouveau cadre opérationnel pour l'étude des superpositions espace-temps. Plutôt que d'utiliser une approche «descendante» pour quantifier la relativité générale, ils considèrent plutôt les effets de l'état quantique d'un trou noir sur le comportement d'un dispositif physique spécifique appelé détecteur Unruh-deWitt.
Il s'agit d'un dispositif hypothétique qui comprend un système à deux états, comme une particule dans une boîte, couplé à un champ quantique. Lorsqu'il est dans son état de basse énergie et exposé à un rayonnement électromagnétique de la bonne fréquence, le système passe à son état supérieur et enregistre un « clic ».
Ce type de détecteur peut en théorie être utilisé pour mesurer Unruh rayonnement, un bain de chaleur de particules qui devrait apparaître du vide quantique à un observateur qui accélère dans l'espace. Dans le scénario présenté dans la nouvelle recherche, il saisirait plutôt Rayonnement Hawking. Il s'agit d'un rayonnement qui devrait être créé lorsque des paires virtuelles particule-antiparticule dans le vide quantique sont déchirées à l'horizon des événements d'un trou noir - l'antiparticule disparaissant alors dans le vide et la particule émise dans l'espace environnant.
Dans leur expérience de pensée, le quatuor envisage un détecteur Unruh-deWitt situé à un point spécifique à l'extérieur de l'horizon des événements d'un trou noir, la position fixe du détecteur étant activée par une accélération loin du trou noir qui produit le rayonnement de Hawking. Les chercheurs considèrent l'effet d'une superposition de la masse du trou noir sur la sortie de ce détecteur.
Superposition des distances
Comme ils l'expliquent, les deux masses donnent des solutions différentes aux équations de champ de la relativité générale et donc des espaces-temps distincts. La superposition d'espace-temps qui en résulte laisse à son tour le détecteur dans une superposition de distances à partir de l'horizon des événements, créant ce qui est en fait un interféromètre dont les bras sont chacun associés à l'une des masses du trou noir. La probabilité que le détecteur clique dépend des masses présentes dans la superposition.
En faisant les calculs pour un trou noir relativement simple décrit en deux dimensions spatiales par la formulation de Banados-Teitelboim-Zanelli, les physiciens ont obtenu un résultat saisissant. Ils ont tracé la probabilité de détecter une particule émise par le trou noir en fonction de la racine carrée des rapports de masse de superposition et ont trouvé des pics nets lorsque ces valeurs étaient égales à 1/n, avec n étant un entier.
Un rayonnement de Hawking intriqué repéré dans un trou noir analogique
Les chercheurs attribuent ce comportement à des interférences constructives entre le rayonnement dans les bras de l'interféromètre qui correspondent aux masses de trous noirs prédites par le physicien américano-israélien Jacob Bekenstein dans les années 1970. Il a montré que la surface de l'horizon des événements d'un trou noir – et donc sa masse – est un invariant adiabatique. Il s'agit d'une propriété physique qui reste constante lorsqu'elle est sollicitée lentement et qui entraîne la quantification de la masse.
"Ce résultat fournit un soutien indépendant à la conjecture de Bekenstein", écrivent les chercheurs dans Physical Review Letters, « démontrant comment la probabilité d'excitation du détecteur peut révéler une véritable propriété gravitationnelle quantique d'un trou noir quantique ».
Les quatre physiciens soulignent que le résultat est ressorti de leurs calculs sans supposer que la masse du trou noir devait tomber dans les bandes discrètes prédites par la conjecture de Bekenstein. Ils ajoutent que leur technique pourrait être étendue à des descriptions plus complexes de trous noirs dans trois dimensions spatiales, ce qui, selon eux, fournirait des informations supplémentaires sur les effets de la gravité quantique dans notre univers.
