Peut-on avoir un point de vue quantique cohérent sur le plus dense/grand objet d'étude de la physique classique : le trou noir/l'Univers ?

Les électrons en chute libre rêvent-ils de gravité quantique? (2)*

* On rappelle que cette rubrique est consacrée à la présentation d'articles portant sur la gravité quantique.

Portrait (quantique) du trou noir en condensat (de gravitons?)

L'extrait qui suit est tiré d'un article très spéculatif du physicien théoricien (n'ayons pas peur des pléonasmes) Gia Dvali, connu pour être une remarquable boîte à idées, ce que le blogueur aime à décrire comme une curiositête ;-)

In our picture the following simple quantum portrait of the black hole emerges which does not rely on any classical geometric characteristics, such as horizon. Instead, it is fully characterized by a single quantum parameter N. For us the black hole is a bound-state (Bose-condensate) of N weakly-interacting gravitons of characteristic wave-length, 

λ = (√N)Lp.         (23) 

The quantum interaction strength between individual gravitons is weak and is given by :

α = 1 / N.             (24) 

Correspondingly the mass of the bound-state approximately is given by the sum of energies of individual quanta,               

M = (√N)ℏ / L_p.   (25) 

Notice, that in large N limit, in which the geometric picture is a good approximation, the wavelength can be used as the characteristic size of a black hole, and the horizon area scales as λ² = N L_p². This creates an impression that the horizon represents a collection of N cells of Planck size area. Correspondingly the expression for the mass (25) creates an impression that the mass of a black hole is composed out of N Planck wave-length quanta. Thus, in the geometric limit one may conclude that these scaling laws indicate that black hole horizon could secretly represent a probe of Planck-scale physics. In reality this is just an ”optical illusion” as it is clearly indicated by equations (23) and (24). For large N, the black hole is a quantum bound-state of very soft and very weakly-coupled quanta, and by no means it represents any better probe of Planck scale physics than other macroscopic objects.

Gia Dvali and Cesar Gomez, Black Hole's Quantum N-Portrait, 14/12/2011

Les idées développées dans cet article et d'autres de Dvali et ses collaborateurs ont aussi été discutées sur le site de la revue Nature. Qu'aurait pensé Einstein d'une telle hypothèse heuristique ? Le blogueur serait bien présomptueux de prétendre offrir une réponse à une telle question. Il se contentera de rappeler deux points d'importance respectivement épistémologique et historique :

•  la condensation de Bose dont il est question dans le texte est en fait celle de Bose-Einstein et c'est bien à ce dernier qu'on doit l'idée remarquable d'une transition de phase associée à la condensation d'un nombre macroscopique de bosons dans un unique état quantique, idée développée dans un article de 1924 soit non seulement environ 70 ans avant la confirmation expérimentale indiscutable de cette spéculation (pour des bosons de spin 1 : des atomes froids pour être précis), mais avant même que les bases de la mécanique quantique ne soient entièrement posées (l'équation de Schrödinger date de 1925 !). On ne peut que souhaiter à Gia Dvali une aussi bonne fortune ;
• le concept de trou noir n'était semble-t-il pas très apprécié d'Einstein alors qu'il est présenté comme une des consèquences les plus remarquables de sa théorie de la gravitation ; mais n'est ce pas une attitude similaire que le grand physicien avait également pour certaines conséquences de la mécanique quantique dont il est aussi l'un des pères fondateurs ?

Portrait (quantique) de l'Univers (observable) en trou noir classique 

Voici un extrait de la conclusion d'un article étonnnant écrit il y a quelques temps par Pierre Binétruy, actuel directeur de l'unité mixte de recherche AstroParticule et Cosmologie.  

... we propose to identify the presently observable universe to the same Bose-Einstein condensate of gravitons that describes a black hole. This seems at first to contradict our view of a black hole as a very dense object, but one should remember that the density of a black hole decreases as the inverse square of its radius. Indeed, the density of the presently observable universe (of radius H₀⁻¹) has the right order of magnitude. Moreover, it appears plausible that the Universe, when we observe it, is a self-sustainable condensate of gravitons with a classical behaviour. This is exactly what is a black hole, only at a different length scale.

This allows us to understand the order of magnitude of the vacuum energy density, in agreement with observation. The value obtained is such because the observed universe is large. This provides a new twist to the question “Why does vacuum energy become dominant now?” and correspondingly a different solution to this problem. We focused in this paper on the main component of the Universe i.e. dark energy (which, in our case, is vacuum energy). This departs from the standard attitude which, for historical reasons, considers dark energy as an “extra” component. To us, it appears that one should first explain the dark universe before addressing the question of luminous matter, which appears to be a detail (though an important one) in the present Universe.

Pierre Binétruy, Vacuum energy, holography and a quantum portrait of the visible Universe, 22/08/2012

//traduction et développements supplémentaires à suivre ...