Thermodynamique des trous noirs et rayonnement de Hawking
Les trous noirs se comportent comme des objets thermodynamiques : la surface de leur horizon joue le rôle d'entropie et leur gravité de surface celui de température. Le calcul quantique de Hawking a montré qu'ils rayonnent effectivement et s'évaporent lentement.
Definition
La thermodynamique des trous noirs est le cadre dans lequel un trou noir se voit attribuer une entropie égale à un quart de la surface de son horizon en unités de Planck et une température proportionnelle à sa gravité de surface, le rayonnement de Hawking étant l'émission thermique qui rend cette interprétation thermodynamique physique.
Scope
Ce sujet aborde les quatre lois de la mécanique des trous noirs et leur analogie avec la thermodynamique, l'entropie de Bekenstein-Hawking proportionnelle à la surface de l'horizon, la température et l'évaporation de Hawking, la deuxième loi généralisée, ainsi que les profondes énigmes que ces résultats soulèvent, notamment le paradoxe de l'information et l'origine microscopique de l'entropie des trous noirs.
Core questions
- Pourquoi la surface de l'horizon d'un trou noir se comporte-t-elle comme une entropie ?
- Comment la théorie quantique amène-t-elle un trou noir à émettre un rayonnement thermique ?
- Que révèle le paradoxe de l'information sur le conflit entre la gravité et la mécanique quantique ?
Key concepts
- Quatre lois de la mécanique des trous noirs
- Entropie de Bekenstein-Hawking
- Température de Hawking
- Évaporation des trous noirs
- Deuxième loi généralisée
- Paradoxe de l'information
Key theories
- Lois de la mécanique des trous noirs et entropie
- La surface de l'horizon d'un trou noir ne diminue jamais et obéit à des lois structurellement identiques à celles de la thermodynamique, ce qui a conduit Bekenstein à proposer que la surface est proportionnelle à l'entropie, une relation ensuite précisément établie par le calcul de la température de Hawking.
- Rayonnement de Hawking
- En appliquant la théorie quantique des champs à l'espace-temps courbe près d'un horizon, Hawking a montré qu'un trou noir émet un spectre thermique à une température inversement proportionnelle à sa masse, perdant ainsi de l'énergie et finissant par s'évaporer.
Clinical relevance
La thermodynamique des trous noirs constitue le point de rencontre le plus clair connu entre la gravité, la théorie quantique et la mécanique statistique ; la loi entropie-surface motive le principe holographique et les dénombrements de micro-états en théorie des cordes, et le paradoxe de l'information oriente une grande partie de la recherche actuelle vers une théorie quantique de la gravité.
History
En 1972-1973, Bekenstein a soutenu que les trous noirs devaient posséder une entropie proportionnelle à leur surface pour préserver la deuxième loi, tandis que Bardeen, Carter et Hawking ont formalisé les lois de la mécanique des trous noirs ; la découverte par Hawking en 1974-1975 de l'émission thermique a transformé cette analogie en une véritable thermodynamique et a ouvert la voie au paradoxe de l'information.
Debates
- Le paradoxe de l'information des trous noirs
- Si l'évaporation produit un rayonnement purement thermique, l'information sur ce qui a formé le trou noir semble perdue, ce qui contredit l'unitarité quantique ; des propositions allant de l'holographie et de la correspondance AdS/CFT aux calculs récents d'îlots suggèrent que l'information est préservée, mais aucun mécanisme consensuel n'est établi.
Key figures
- Jacob Bekenstein
- Stephen Hawking
- Brandon Carter
- James Bardeen
Related topics
Seminal works
- bekenstein1973
- hawking1975
Frequently asked questions
- Le rayonnement de Hawking a-t-il été observé ?
- Non, pas à partir d'un trou noir astrophysique ; la température prédite pour les trous noirs stellaires et plus massifs est bien inférieure à celle du fond diffus cosmologique, ce qui la rend indétectable. Cependant, des systèmes analogiques en laboratoire ont reproduit l'effet sous-jacent pour des horizons connexes.
- Pourquoi les petits trous noirs rayonnent-ils plus fortement ?
- La température de Hawking est inversement proportionnelle à la masse ; ainsi, les petits trous noirs sont plus chauds et s'évaporent plus rapidement, terminant leur existence par une intense explosion, tandis que les grands trous noirs sont extrêmement froids et s'évaporent sur des échelles de temps dépassant de loin l'âge de l'univers.