Question:
Comment la gravité échappe-t-elle à un trou noir?
Nogwater
2010-11-16 23:39:59 UTC
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Je crois comprendre que la lumière ne peut pas s'échapper de l'intérieur d'un trou noir (dans l'horizon des événements). J'ai également entendu dire que les informations ne peuvent pas se propager plus rapidement que la vitesse de la lumière. Il me semble que l'attraction gravitationnelle causée par un trou noir porte des informations sur la quantité de masse dans le trou noir. Alors, comment cette information s'échappe-t-elle? En regardant cela du point de vue des particules: les gravitons (devraient-ils exister) voyagent-ils plus vite que les photons?

Le [théorème sans cheveux] (http://en.wikipedia.org/wiki/No-hair_theorem) dit que les trous noirs ne sont pas complètement glabres. Ils ont cinq cheveux: masse-énergie $ M $, impulsion linéaire $ P $ (trois composantes), moment angulaire $ J $ (trois composantes), position $ X $ (trois composantes), charge électrique $ Q $.
Si vous considérez la gravité comme une force répulsive, il est logique que la gravité n'ait pas besoin de «s'échapper» d'un trou noir.Ce qui ne parvient pas à s'échapper, c'est la force qui repousse la matière qui fait paraître la gravité plus forte.
Je pense que cette vidéo en explique une partie: https://www.ligo.caltech.edu/video/ligo20160211v4;c'est une simulation numérique d'un événement de fusion de trous noirs. Vous pouvez voir que les ondes ne sont pas générées depuis l'intérieur des trous noirs.
Étrange, le trou noir n'aspire pas les gravitons.
Il y a plusieurs bonnes réponses ici, mais une autre bonne façon de voir est de dessiner le diagramme de Penrose pour un trou noir qui s'est formé par effondrement gravitationnel (voir, par exemple, les diagrammes ici http://physics.stackexchange.com/a/ 146852/4552).Fixez un événement en dehors de l'horizon pour représenter un certain temps vécu par un observateur.Il y a des surfaces de simultanéité à travers ce point selon lesquelles le trou noir ne s'est même pas encore formé, donc si vous le souhaitez, le champ statique peut simplement être considéré comme le champ de la matière préexistante à partir de laquelle le trou s'est formé.
Je pense que cette question montre une idée fausse liée à l'idée fausse du «modèle boule de neige» des photons, où certaines personnes pensent que les électrons se repoussent parce qu'ils se lancent des photons l'un à l'autre comme deux patineurs se repousseraient en se lançant des boules de neige.Ce n'est pas ainsi que fonctionnent les forces.Comment les électrons et les positrons s'attireraient-ils les uns les autres? Les particules interagissent avec les champs et les photons sont la quantification du champ EM.De même pour la gravité.Vous ne pouvez pas reprocher à un profane de penser cela, car c'est souvent ainsi que cela est présenté dans les conférences et les émissions populaires.La vérité est plus compliquée.
@Ben Crowell: "le champ statique peut simplement être considéré comme le champ de la matière préexistante à partir de laquelle le trou s'est formé" Je pense que votre commentaire va au coeur du problème et rend les réponses les plus détaillées sans pertinence.L'utilisation du théorème de coquille montre que c'est également vrai en mécanique classique (du moins pour les cas à symétrie sphérique).
Dix-sept réponses:
#1
+288
Keenan Pepper
2010-11-17 08:45:27 UTC
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Il y a déjà de bonnes réponses ici mais j'espère que c'est un joli petit résumé:

Le rayonnement électromagnétique ne peut pas échapper à un trou noir, car il voyage à la vitesse de la lumière. De même, le rayonnement gravitationnel ne peut pas non plus échapper à un trou noir, car il se déplace également à la vitesse de la lumière. Si le rayonnement gravitationnel pouvait s'échapper, vous pourriez théoriquement l'utiliser pour envoyer un signal de l'intérieur du trou noir vers l'extérieur, ce qui est interdit.

Un trou noir, cependant, peut avoir une charge électrique, ce qui signifie qu'il y a un champ électrique autour d'elle. Ce n'est pas un paradoxe car un champ électrique statique est différent du rayonnement électromagnétique. De même, un trou noir a une masse, donc il a un champ gravitationnel autour de lui. Ce n'est pas non plus un paradoxe car un champ gravitationnel est différent du rayonnement gravitationnel.

Vous dites que le champ gravitationnel contient des informations sur la quantité de masse (en fait l'énergie) à l'intérieur, mais cela ne laisse pas de place à quelqu'un à l'intérieur pour envoyer un signal à l'extérieur, car pour ce faire, ils devraient créer ou détruire de l'énergie, ce qui est impossible. Il n'y a donc pas de paradoxe.

Notez qu'il n'y a PAS BESOIN d'induire du tout de la mécanique quantique dans cette discussion. C'est pourquoi j'ai spécifiquement dit «rayonnement électromagnétique» et «rayonnement gravitationnel», et non «photons» ou «gravitons».
At-il été prouvé que le champ gravitationnel autour d'un trou noir n'a pas échappé à la gravité de l'intérieur du trou noir ou au moins une partie de la gravité intérieure s'est échappée vers l'extérieur en ajoutant à son champ gravitationnel extérieur?
Tout en étant d'accord sur le fait que la lumière / l'électromagnétisme en général est piégé à l'intérieur, je suis en désaccord avec toute déclaration de la forme "... ______ ne peut pas échapper à un trou noir ... parce qu'il ... se déplace à la vitesse de la lumière."La vitesse de propagation de quelque chose n'est pas séquentielle (raison insuffisante / non pertinente).Quelle que soit la définition du «rayonnement gravitationnel», je crois que la gravité (par exemple d'une autre origine) peut traverser même un trou noir.
Interdit?Est-ce vraiment le mot juste.Cela donne l'impression que nous ne devrions pas remettre en question la science, qui est par définition ce qu'est la science.
@Michael Les physiciens utilisent «interdit» plus ou moins de manière interchangeable avec «impossible».Les deux ont toujours un qualificatif implicite de "... selon nos meilleures théories et axiomes actuels".
Merci pour cette réponse.Malheureusement, cela me rappelle surtout que je ne sais pas ce qu'est vraiment un champ.:)
Vous dites interdit comme je serai condamné à l'exécution si je viole ce bas.
#2
+195
Vagelford
2010-11-16 23:55:40 UTC
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Eh bien, l'information n'a pas à s'échapper de l'intérieur de l'horizon, car elle n'est pas à l'intérieur. L'information est à l'horizon.

Une façon de voir cela, est du fait que rien ne traverse jamais l'horizon du point de vue d'un observateur en dehors de l'horizon d'un trou noir. Il atteint asymptotiquement l'horizon en un temps infini (tel qu'il est mesuré du point de vue d'un observateur à l'infini).

Une autre façon de voir cela est le fait que vous pouvez obtenir toutes les informations dont vous avez besoin les conditions aux limites à l'horizon pour décrire l'espace-temps extérieur, mais c'est quelque chose de plus technique.

Enfin, puisque le GR classique est une théorie géométrique et non une théorie quantique des champs *, les gravitons ne sont pas les manière de le décrire.

* Pour clarifier ce point, GR peut admettre une description dans le cadre de théories de jauge comme la théorie de l'électromagnétisme. Mais même si l'électromagnétisme peut admettre une seconde quantification (et être décrit comme un QFT), GR ne le peut pas.

Si du point de vue d'un observateur en dehors de l'horizon, rien ne creuse jamais l'horizon, comment le trou noir se développe-t-il et se dilate (du point de vue de cet observateur)? Vous avez clairement raison sur les conditions aux limites, etc. Mais alors on devrait vous demander qui a décidé des conditions aux limites?Clairement, la masse intérieure les a déterminés, et là encore la question est de savoir comment?
C'est trompeur.Les informations qui s'échappent sur la masse n'atteignent jamais réellement l'horizon.Il est codé dans la courbure de l'espace autour du trou noir (cela inclut la partie très proche de l'horizon, mais une grande partie des informations n'est pas proche de l'horizon).
@itamarhason vraisemblablement tout ce qui colle à l'horizon, ce qui agrandit l'horizon
Surtout d'accord, mais il n'est pas nécessaire de distinguer l'horizon, je pense.Les informations sur ce que tout élément d'espace-temps devrait faire sont fournies par les bits voisins d'espace-temps (plus l'équation de champ), peu importe où vous regardez.Et les bits voisins ont obtenu leur configuration de leurs voisins à leur tour, et ainsi de suite, de retour dans le passé.
#3
+54
Daniel
2010-11-17 01:32:11 UTC
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Mettons quelque chose de côté: acceptons de ne pas introduire de gravitons dans cette réponse. Le raisonnement est simple: lorsque vous parlez de gravitons, vous impliquez beaucoup de choses sur les phénomènes quantiques, dont aucune n'est vraiment nécessaire pour répondre à votre question principale. Dans tous les cas, les gravitons se propagent à la même vitesse que les photons: la vitesse de la lumière, $ c $. De cette façon, nous pouvons nous concentrer simplement sur le GR classique, c'est-à-dire la géométrie différentielle de l'espace-temps: c'est plus que suffisant pour répondre à votre question.

Dans ce contexte, GR est une théorie qui dit combien de courbure un espace "souffre" d'une certaine quantité de masse (ou d'énergie, cf. Stress-Energy Tensor).

Un Black Hole est une région de l'espace-temps qui a une courbure si intense qu'elle "pince" une certaine région de l'espace-temps.

En ce sens, il n'est pas trop mal de comprendre ce qui se passe: si vous pouvez mesurer la courbure de l'espace-temps, vous pouvez certainement dire si vous vous déplacez ou non vers une région de courbure croissante (c'est-à-dire vers un trou de bloc).

C'est exactement ce qui est fait: on mesure la courbure de l'espace-temps et cela suffit: à un moment donné, la courbure est si intense que les cônes lumineux sont "retournés". À ce point exact, vous définissez l ' Horizon des événements, c'est-à-dire la région de l'espace-temps où la causalité est affectée par la courbure de l'espace-temps.

Voici comment créer une carte de l'espace-temps et peut tracer des trous noirs. Étant donné que la courbure est proportionnelle à l'attraction gravitationnelle, cette séquence d'idées répond complètement à votre doute: vous n'avez rien qui sort du trou noir, ni rien de tel. Tout ce dont vous avez besoin est de tracer la courbure de l'espace-temps, en mesurant ce qui arrive à votre structure de cône de lumière. Ensuite, vous trouvez votre Event Horizon et, par conséquent, votre trou noir. De cette façon, vous obtenez toutes les informations dont vous avez besoin, sans rien sortir du trou noir.

Supposons, très hypothétiquement bien sûr, qu'une masse supplémentaire soit soudainement créée à l'intérieur du trou noir. La courbure de l'espace-temps à l'extérieur du trou noir changerait-elle? Je me rends compte que c'est un processus non physique, mais si la main de Dieu s'est penchée vers le bas et a créé un gros morceau de choses juste à l'intérieur de l'horizon des événements, que nous disent les équations de GR sur la question de savoir si nous serions capables de parler de l'événement à partir de en dehors de l'horizon des événements?
Si "La Main de Dieu" (et nous ne parlons pas de Maradona ici ;-) a fait quelque chose comme ça, ** et ** nous ne pensions qu'au ** GR classique **, nous peut dire ceci: il serait possible de mesurer un tel changement, dans le sens où la courbure de l'espace-temps changerait et nous pourrions voir que le trou noir est devenu plus massif de cette façon (la courbure a augmenté).
La chose à noter est que la * courbure * n'est pas quelque chose qui vit seulement * à l'intérieur * du trou noir: c'est une propriété de l'espace-temps dans son ** ensemble **, et c'est ce qui compte. Les propriétés globales, * topologiques *, sont des choses très peu intuitives. ;-)
Mais alors les informations ne vont-elles pas de l'intérieur du trou noir vers l'extérieur? Je pourrais envoyer du code morse en activant et désactivant ma masse, non?
@MarkE: * uniquement * si vous étiez Dieu. Ecoutez, l'essentiel est que nous avons affaire à du GR * classique *, et non à la gravité quantique ni à ses effets. Et, dans le cadre de * classique * GR, il n'est tout simplement ** pas ** possible pour vous de modifier l'une des propriétés (charge, masse, moment cinétique) d'un trou noir de l'intérieur de celui-ci. Un trou noir est simplement un «puits» de champs gravitationnels.
@MarkE: Je pourrais ouvrir ma boîte à outils magique et parler des holonomies et de leur relation avec les orbites en GR (ie, avec des géodésiques fermées). Et, en cartographiant les holonomies d'un espace, vous pouvez obtenir des informations sur sa courbure. Ainsi, si vous êtes en orbite autour d'un trou noir, vous pouvez rassembler toutes les informations sur sa courbure. (C'est pourquoi j'ai fait ce commentaire sur les propriétés globales des espaces: elles sont très peu intuitives.)
Donc ... si je suis, les cônes de lumière inversés signifient que l'information sur la masse ne vient pas de l'horizon des événements (la causalité ne circule pas de cette façon). Au lieu de cela, la gravité provient de l'horizon des événements, ce qui semble correspondre à la réponse d'@Vagelford's. La masse n'est pas à une certaine singularité au centre du trou noir, mais est distribuée autour du bord? Une sphère de masse "crée" le même champ gravitationnel que cette même masse en un point du point de vue de quelqu'un en dehors de la sphère, non?
@Nogwater: Autant que nous le sachions, la masse elle-même est à la singularité, pour une certaine définition de «est» (à savoir que le temps propre entre le franchissement de l'horizon des événements et l'atteinte de la singularité est fini). Mais, parlant en termes vagues, l '_information_ de combien de masse il y a est "imprimée" à l'horizon, elle ne "tombe" pas vers la singularité avec la masse. Sous une forme plus précise, cela s'appelle le [principe holographique] (http://en.wikipedia.org/wiki/Holographic_principle).
@Nogwater: Même si DavidZ a déjà répondu, je veux juste offrir mon 2 ¢: les choses qui se produisent à l'intérieur d'un trou noir (par exemple, l'augmentation de la masse) affectent la courbure de l'espace-temps, et cela peut être mesuré de l'extérieur. Vous pouvez choisir de comprendre cela via le principe holographique, mais vous n'en avez pas nécessairement besoin: c'est la géométrie différentielle vanille (et la topologie).
Je tiens à souligner que l'existence d'un horizon d'événements n'est pas un effet de courbure élevé. L'horizon des événements dépend de la structure causale de l'espace-temps tandis que la courbure vous donne la force des forces de marée. Vous pouvez avoir un horizon d'événement avec une faible courbure. Par exemple, dans le cas d'un trou noir de Schwarzschild, où l'horizon des événements est au rayon $ R_s = 2M, $ si vous calculez les composantes de courbure pertinentes qui sont $ \ propto \ frac {M} {r ^ 3}, $ vous on peut voir qu'à l'horizon la courbure s'échelonne comme $ \ frac {1} {M ^ 2}. $ Donc, plus la masse est grande, plus la courbure est petite.
Nogwater a spécifiquement demandé une explication en termes de gravitons, alors pourquoi devrions-nous convenir de ne pas les inclure dans la réponse?
@Daniel Grumiller: Pour des raisons plus générales, vous n'avez pas besoin d'être d'accord avec ni avec personne d'autre. Mais, dans ce cas particulier, la raison est assez simple: parce qu'il est possible de répondre à la question initiale sans avoir à parler d'une éventuelle quantification de GR. Pour répondre de manière appropriée et scientifique à la question initiale, en tenant compte des gravitons, il faudrait tôt ou tard calculer la diffusion de la lumière par les gravitons (et vice-versa), ce qui compliquerait énormément une réponse autrement plus simple.
@Daniel: vous n'avez pas besoin de quantifier la gravité ou de calculer en fait certains éléments de la matrice S pour comprendre conceptuellement comment et pourquoi les gravitons (coulombiens) "échappent" à un trou noir. Je pense que cela suffit pour répondre à cette question ...
Bien sûr, vous avez probablement raison. Mais, je préfère ne pas utiliser plus que ce que je dois (en termes d'hypothèses ou de structure supplémentaire): si vous pouvez répondre avec une sorte d'ensemble d'hypothèses `` minimales '', pourquoi `` compliquer '' le problème - et devez faire face avec les conséquences des dites «complications» plus tard? ;-)
Si tout ce dont nous avons besoin, c'est de la courbure pour ressentir l'effet de la gravité, alors d'où vient le rayonnement gravitationnel?
#4
+48
Jerry Schirmer
2010-11-17 07:44:11 UTC
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Le problème ici est une incompréhension de ce qu'est une particule dans QFT.

Une particule est une excitation d'un champ, pas le champ lui-même. Dans QED, si vous configurez une charge centrale statique, et la laissez là très longtemps, il met en place un champ $ E = k {q \ over r ^ 2} $. Pas de photons. Lorsqu'une autre charge pénètre dans cette région, elle ressent cette force. Maintenant, cette seconde charge va se disperser et s’accélérer, et , vous aurez une réaction $ e ^ {-} - >e ^ {-} + \ gamma $ due à cette accélération, (classiquement, les ondes créées en ayant une perturbation dans le champ EM) mais vous n'aurez pas d'échange de photons avec la charge centrale, du moins pas jusqu'à ce qu'elle ressent le champ créé par notre première charge, qui se produira à un peu plus tard.

Maintenant, considérons le trou noir. C'est une solution statique des équations d'Einstein, assis là joyeusement. Lorsqu'il est envahi par une masse d'essai, il a déjà mis en place son champ. Ainsi, quand quelque chose se disperse, il se déplace le long du champ mis en place par le trou noir. Maintenant, il accélérera, et peut-être, "irradiera un graviton", mais le trou noir ne ressentira qu'après que le champ de rayonnement de la particule d'essai pénètre dans l'horizon du trou noir, ce qu'il peut faire librement. Mais nulle part dans ce processus, une particule ne quitte l'horizon du trou noir.

Un autre exemple de la raison pour laquelle la notion naïve de toutes les forces provenant d'un diagramme de Feynman avec deux paires de pattes est le boson de Higgs - l'univers entier est immergé dans un champ de Higgs non nul. Mais nous ne parlons de «création» de «particules» de Higgs que lorsque nous perturbons suffisamment le champ de Higgs pour créer des ondulations dans le champ de Higgs - les ondes de Higgs. Ce sont les particules de Higgs que nous recherchons dans le LHC. Vous n'avez pas besoin d'ondulations dans le champ gravitationnel pour expliquer pourquoi une planète tourne autour d'un trou noir. Vous avez juste besoin du champ pour avoir une certaine distribution.

Merci, c'était une grande clarification pour moi!
Si un champ E statique n'installe pas de photons, alors comment une autre charge ressentira sa présence parce que les photons QED propagent la force E ... C'est comme un argument cyclique.Mais comment l'autre charge ressentira-t-elle un champ statique si ce champ ne produisait pas de photons pour médier l'attraction
@shashaank, dans ce cas, c'est les conditions initiales du problème, mais rappelez-vous que seules les charges accélératrices rayonnent, donc tous les photons qui "ont créé le champ" ont été rayonnés lorsque la charge a été mise à sa place
#5
+26
Ted Bunn
2011-01-14 03:27:06 UTC
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Je pense qu'il est utile de réfléchir à la question connexe de savoir comment le champ électrique sort d'un trou noir chargé. Cette question a été soulevée dans la section Q&A (aujourd'hui disparue) de l ' American Journal of Physics dans les années 1990. Matt McIrvin et moi avons rédigé une réponse qui a été publiée dans le journal. Vous pouvez le voir sur https://facultystaff.richmond.edu/~ebunn/ajpans/ajpans.html.

Comme d'autres l'ont souligné, il est plus facile de penser la question en termes purement classiques (en évitant toute mention de photons ou de gravitons), bien que dans le cas du champ électrique d'un trou noir chargé la question soit parfaitement bien posé même en termes quantiques: nous n'avons pas de théorie de la gravitation quantique pour le moment, mais nous pensons comprendre l'électrodynamique quantique dans un espace-temps courbe.

#6
+20
Stan Liou
2011-01-18 04:17:16 UTC
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Bien que, à bien des égards, la question ait déjà reçu une réponse, je pense qu'il faut souligner qu'au niveau classique, la question est en quelque sorte à l'envers. La discussion préalable sur les propriétés statiques et dynamiques est en particulier très proche.

Examinons d'abord un modèle jouet d'une fine coque sphérique symétrique de particules de poussière s'effondrant dans un trou noir de Schwarzschild. L'espace-temps à l'extérieur de la coque sera alors aussi Schwarzschild, mais avec un paramètre de masse plus grand que le trou noir d'origine (si la coque commence au repos à l'infini, alors juste la somme des deux). Intuitivement, la situation est analogue au théorème de la coque de Newton, qui est un analogue plus limité dans GTR. À un moment donné, il traverse l'horizon et finit par être écrasé hors de l'existence à la singularité, le trou noir prenant maintenant de la masse.

Nous avons donc l'image suivante: lorsque la coquille s'effondre, le champ gravitationnel externe prend sur une certaine valeur, et comme il a traversé l'horizon, l'information sur ce qu'il fait ne peut pas sortir de l'horizon. Par conséquent, le champ gravitationnel ne peut changer en réponse au comportement ultérieur de la coquille, car cela enverrait un signal à travers l'horizon, par exemple, une personne chevauchant la coquille serait capable de communiquer à travers elle en manipulant la coque.

Par conséquent, plutôt que la gravité ayant une propriété spéciale qui lui permet de traverser l'horizon, dans un certain sens la gravité ne peut pas traverser l'horizon, et c'est cette propriété même qui force la gravité en dehors de celui-ci pour rester le même.

Bien que la réponse ci-dessus ait déjà supposé un trou noir, cela n'a pas d'importance du tout, comme pour une étoile qui s'effondre de manière sphérique, l'horizon des événements commence au centre et s'étire pendant l'effondrement (pour la situation précédente, il s'étend également à rencontrer la coquille). Il suppose également que la situation a une symétrie sphérique, mais cela s'avère également ne pas être conceptuellement important, bien que pour des raisons beaucoup plus compliquées et peu évidentes. Plus particulièrement, les théorèmes de Penrose et Hawking, comme certains le pensaient au départ (ou peut-être devrais-je dire espérait ) que toute perturbation de la symétrie sphérique empêcherait la formation de trous noirs.

Vous vous posez peut-être aussi la question sur une question connexe: si la solution de Schwarzschild de GTR est un vide, est-il logique qu'un vide plie l'espace-temps? La situation est quelque peu analogue à une situation plus simple de l'électromagnétisme classique. Les équations de Maxwell dictent comment les champs électriques et magnétiques changent en réponse à la présence et au mouvement de charges électriques, mais les charges seules ne déterminent pas le champ, car vous pouvez toujours faire venir une onde de l'infini sans aucune contradiction (ou quelque chose de plus exotique , comme un champ magnétique partout constant), et en pratique ces choses sont dictées par des conditions aux limites. La situation est similaire dans GTR, où l'équation de champ d'Einstein qui dicte comment la géométrie est connectée ne fixe que la moitié des vingt degrés de liberté de la courbure de l'espace-temps.

#7
+19
Daniel Grumiller
2011-02-10 00:02:05 UTC
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À mon avis, c'est une excellente question, qui parvient à déconcerter aussi certains physiciens accomplis. Je n'hésite donc pas à fournir une autre réponse, un peu plus détaillée, même si plusieurs bonnes réponses existent déjà.

Je pense qu'au moins une partie de cette question est basée sur une compréhension incomplète de ce qu'elle signifie pour médier une force statique du point de vue de la physique des particules. Comme d'autres l'ont déjà mentionné dans leurs réponses, vous rencontrez un problème similaire dans le problème de Coulomb en électrodynamique.


Permettez-moi de répondre à votre question du point de vue de la théorie des champs, car je pense que cela correspond le mieux à votre intuition sur les particules échangées (comme cela ressort de la façon dont vous avez formulé la question).

Premièrement, aucune onde gravitationnelle ne peut s'échapper de l'intérieur du trou noir, comme vous l'avez déjà laissé entendre dans votre question.

Deuxièmement, aucune onde gravitationnelle ne doit s'échapper de l'intérieur du trou noir (ou de l'horizon) afin de médier une force gravitationnelle statique.

Les ondes gravitationnelles ne médiatisent pas la force gravitationnelle statique, mais seulement des moments quadripolaires ou supérieurs.

Si vous voulez penser à forces en termes de particules échangées, vous pouvez voir la force gravitationnelle statique (le moment monopolaire, si vous le souhaitez) comme étant médiée par des "Coulomb-gravitons" (voir ci-dessous pour l'analogie avec l'électrodynamique). Les coulomb-gravitons sont des degrés de liberté de jauge (on peut donc hésiter à les appeler «particules»), et donc aucune information n'est médiatisée par leur «évasion» du trou noir.


C'est assez analogue à ce qui se passe en électrodynamique: l'échange de photons est responsable de la force électromagnétique, mais les ondes de photons ne sont pas responsables de la force de Coulomb.

Les ondes de photons le font. pas la médiation de la force électromagnétique statique, mais seulement des moments dipolaires ou supérieurs.

Vous pouvez voir la force électromagnétique statique (le moment monopolaire, si vous le souhaitez) comme étant médiée par des photons coulombiens. Les photons coulombiens sont des degrés de liberté de jauge (on peut donc hésiter à les appeler "particules"), et donc aucune information n'est médiatisée par leur transmission "instantanée".

En fait, c'est précisément ainsi que vous traitez la force de Coulomb dans le contexte QFT. Dans la théorie dite des perturbations de Bethe-Salpeter, vous additionnez tous les graphes en échelle avec des échanges coulomb-photons et obtenez de cette manière le potentiel 1 / r à l'ordre principal et diverses corrections quantiques (décalage de Lamb, etc.) à l'ordre sous-directeur dans l'électromagnétique constante de structure fine.


En résumé, il est possible de penser à la force de Schwarzschild et de Coulomb en termes d'échanges de certaines particules (virtuelles) (Coulomb-gravitons ou -photons), mais comme celles-ci Les «particules» sont en fait des degrés de liberté de jauge aucun conflit ne survient avec leur «évasion» du trou noir ou leur transmission instantanée en électrodynamique.

Une manière élégante (mais peut-être moins intuitive) d'arriver à la même réponse est d'observer que (dans certaines conditions) la masse ADM - pour l'espace-temps des trous noirs stationnaires c'est ce que vous appelleriez la "masse des trous noirs" - est conservée. Ainsi, ces informations sont fournies par des conditions aux limites "depuis le tout début", c'est-à-dire même avant qu'un trou noir ne soit formé. Par conséquent, cette information n'a jamais à «s'échapper» du trou noir.


En passant, dans l'une de ses conférences, Roberto Emparan a posé votre question (formulée un peu différemment) comme un exercice pour ses élèves, et nous en avons discuté pendant au moins une heure avant tout le monde était satisfait de la réponse - ou a abandonné ;-)

Réponse intéressante, j'apprends beaucoup.Pouvez-vous préciser ce que vous entendez exactement par «degrés de liberté de jauge»?S'agit-il simplement d'abstractions mathématiques ou y a-t-il une signification physique?
#8
+13
matthiasr
2010-11-16 23:53:21 UTC
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La gravitation ne fonctionne pas comme la lumière (c'est pourquoi la gravitation quantique est dure).

Un corps massif «crache» l'espace et le temps, de sorte que, au sens figuré parlant, la lumière a du mal à monter. Mais la colline elle-même (c'est-à-dire l'espace-temps courbe) doit être là en premier lieu.

Mais, vous pouvez également demander "Comment la force électrique échappe-t-elle à un trou noir chargé", ce qui serait une question tout aussi valable.
#9
+13
Marek
2010-11-17 01:23:27 UTC
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Je pense que la meilleure explication que l'on puisse donner est la suivante: il faut discerner entre les propriétés statiques et dynamiques de l'espace-temps. Qu'est-ce que je veux dire par là?

Eh bien, il y a certains espaces-temps qui sont statiques. C'est par exemple le cas de la solution de trou noir prototypique de GTR. Or, cet espace-temps existe a priori (par définition de statique: il a toujours été là et le sera toujours), donc la gravité n'a pas vraiment besoin de se propager. Comme GTR nous le dit, la gravité n'est qu'une illusion laissée sur nous par l'espace-temps courbe. Il n'y a donc pas de paradoxe ici: les trous noirs semblent graviter (comme pour produire une force et être dynamiques) mais en fait ils sont complètement statiques et aucune propagation d'information n'est nécessaire. En réalité, nous savons que les trous noirs ne sont pas complètement statiques mais c'est une première approximation correcte de cette image.

Maintenant, pour aborder la partie dynamique, deux choses différentes peuvent être signifiées par ceci:

  • Changement global réel de l'espace-temps comme on peut le voir par exemple dans l ' expansion de l'univers. Cette expansion n'a pas besoin d'obéir à la vitesse de la lumière mais ceci n'est en contradiction avec aucune loi connue. En particulier, vous ne pouvez pas envoyer de signaux superluminaux. En fait, le contraire est vrai: par une expansion trop rapide, des parties de l'univers pourraient aller trop loin pour que même leur lumière nous atteigne jamais. Ils seront déconnectés causalement de notre secteur de l'espace-temps et il nous semblera qu'il n'a jamais existé. Il n'est donc pas surprenant qu'aucune information ne puisse être communiquée.
  • Ondes gravitationnelles, qui est un nom juste fantaisiste pour les perturbations dans l'espace-temps sous-jacent. Ils obéissent à la vitesse de la lumière et les particules quantiques correspondantes sont appelées gravitons. Maintenant, ces ondes / particules ne pourraient en effet pas s'échapper de dessous l'horizon (exactement de la même manière que n'importe quelle autre particule, à l'exception du rayonnement Hawking, mais il s'agit d'un effet quantique spécial).
#10
+10
DarenW
2010-11-17 08:20:05 UTC
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Les différentes théories - QED, GTR, électromagnétisme classique, gravitation à boucle quantique, etc. - sont toutes des manières différentes de décrire la nature. La nature est ce qu'elle est; les théories ont toutes des défauts. Pour autant dire si la gravité ressemble ou non à l'électromagnétisme, c'est simplement souffler de l'air chaud sur la façon dont les humains pensent et ne rien dire de substantiel sur la réalité physique.

Et si nous n'avons pas une compréhension complète de la gravité quantique? Les gravitons sont un concept sensé et un élément clé dans certaines théories des champs unifiés (ou semi-unifiés). Cela peut devenir délicat car contrairement aux autres particules quantiques, les gravitons font partie de la courbure de l'espace-temps et des relations des cônes lumineux proches, lorsqu'ils volent à travers ledit espace-temps. Nous pouvons en quelque sorte ignorer cela pour le moment. La question est bonne et peut trouver une réponse en termes de théorie quantique et de gravitons. Nous ne savons tout simplement pas, étant donné l'état actuel des connaissances en physique, jusqu'où nous pouvons pousser l'idée.

Lorsque les particules chargées s'attirent ou se repoussent, la force est due aux photons virtuels. Les photons aiment voyager à la vitesse universelle c , mais ils n’ont pas à le faire. Heisenberg le dit! Vous pouvez enfreindre les lois de conservation de l'énergie et de l'élan autant que vous le souhaitez, mais plus vous vous écartez, plus la durée est courte et plus l'espace dans lequel vous enfreignez ces lois est réduit. Pour les photons virtuels reliant deux particules chargées, ils ont la place entre les deux particules et un intervalle de temps correspondant à celui à la vitesse de la lumière. Ces ondes ne circulent pas avec une longueur d'onde, une période ou une vitesse de phase bien définies. Cette vitesse mal définie peut être plus rapide que c ou moins bien. Dans QED, le propagateur de photons - la fonction d'onde donnant l'amplitude de probabilité d'un photon virtuel reliant (x1, t1) à (x2, t2) est non nul partout - à l'intérieur et à l'extérieur des cônes de lumière passés et futurs, bien que devenant illimité en amplitude sur le cônes lumineux.

Donc les gravitons, s'ils ressemblent autant à des photons, peuvent exister très bien à l'extérieur de l'horizon et à l'intérieur. Ils sont, dans un sens approximatif, aussi grands que l'espace entre le trou noir et tout ce qui est en orbite ou y tombe. Ne les imaginez pas comme de petites boulettes d'énergie volant du centre du trou noir (singularité ou autre) - même avec l'indulgence de Heisenberg, ce n'est tout simplement pas une question de petites particules essayant de traverser l'horizon dans le mauvais sens. Un graviton est probablement déjà des deux côtés!

Pour une réponse plus satisfaisante, je suppose qu'il faut connaître les mathématiques, les transformées de Fourier, les tenseurs de Riemann et tout ça.

Les champs électromagnétiques et gravitationnels dépendent de la configuration des charges / masses, pas seulement de la charge / masse totale.Si le champ EM / gravitationnel extérieur d'un trou noir provenait des charges / masses à l'intérieur par un mécanisme FTL, vous pourriez envoyer des signaux de l'intérieur vers l'extérieur en déplaçant les charges / masses à l'intérieur pour changer le champ extérieur.Mais cela ne fonctionne pas vraiment.
#11
+9
Lawrence B. Crowell
2011-01-18 06:30:30 UTC
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Le principe holographique donne un indice, comme l'a souligné David Zaslavsky. L'élément métrique de Schwarzschild $ g_ {tt} ~ = ~ 1 - r_0 / r $, pour $ r_0 ~ = ~ 2GM / c ^ 2 $ donne une distance appropriée appelée coordonnée de retard $$ r ^ * ~ = ~ r ~ + ~ r_0 ln [(r-r_00) / r_0] $$ qui diverge $ r ^ * ~ \ rightarrow ~ - \ infty $ à l'approche de l'horizon. Cela signifie que tout ce qui compose le trou noir n'est jamais vu traverser l'horizon du point de vue d'un observateur extérieur éloigné. On observe que l'horloge de tout ce qui tombe dans un trou noir ralentit jusqu'à un arrêt proche et ne traverse jamais l'horizon. Cela signifie que rien ne rentre ou ne sort du trou noir, du moins classiquement. Il n'y a donc vraiment pas de problème de gravité s'échappant d'un trou noir, car comme on l'observe de l'extérieur, rien n'est jamais entré.

"Une distance correcte" signifie prendre la longueur d'une courbe dans une hyperslice spatiale, mais $ r ^ * $ n'est pas produit à la surface du temps de Schwarzschild constant, donc on ne sait pas à quoi vous faites référence. Pour les rayons lumineux radiaux, $ \ Delta t = \ pm \ Delta r ^ * $, ce qui est pertinent pour "ne pas voir", mais cela vient de $ g_ {rr} $, et non de $ g_ {tt} $. «Rien ne rentre ou ne sort du trou noir» est tout simplement faux, même si c'était la vue avant le milieu des années 1960, avec des objets tombants ralentissant et s'arrêtant à la surface infinie du décalage vers le rouge. (EG: accélération à Minkowski; les choses traversent évidemment l'horizon sans qu'on ait vu le faire.)
J'aurais dû dire un bon intervalle. La coordonnée toroise indique que pour voir quelque chose de l'horizon, il est vu du «passé infini». Rien ne peut être directement observé pour atteindre réellement l'horizon des événements.
Il existe des preuves d'observation de la matière traversant l'horizon des trous noirs et augmentant simplement la masse de BH, dans des systèmes binaires. Parce que l'empreinte spectrale typique du chauffage par onde de choc dans des systèmes similaires, mais avec une naine blanche comme objet d'accrétion au lieu d'un BH, est absente. Quoi qu'il arrive au moment propice de la matière d'accrétion, il traverse l'horizon.
* L'horloge de tout ce qui tombe dans un trou noir ralentit jusqu'à un arrêt proche et ne traverse jamais l'horizon.Cela signifie que rien ne rentre ou ne sort du trou noir, du moins classiquement. * Non, c'est faux.Voir http://physics.stackexchange.com/a/146852/4552
#12
+9
dcgeorge
2013-02-14 21:34:12 UTC
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No escape is necessary (a slightly diifferent perspective).

A lot of nice answers so far but a couple of things need mentioning. It's not clear where, exactly, the mass of the black hole is supposed to be. Where does the mass reside? That's one thing. The other thing is, how does the mass/energy in the gravitational field, itself, fit into this picture?

I think (and I'll no doubt get hammered mercilessly for this) that the mass of a black hole resides spread out through its external gravitational field and nowhere else. The mass of a black hole resides, wholly and solely, in the gravitational field outside the hole. Fortunately for me, I'm not completely alone here.

The calculation of the total gravitational field energy of a black hole (or any spherical object) was made in 1985 by the Cambridge astrophysicist Donald Lynden-Bell and Professor Emeritus J. Katz of the Racah Institute Of Physics. http://adsabs.harvard.edu/full/1985MNRAS.213P..21L, Their conclusion was that the total energy in the field is ... (drum-roll here) ... mc^2 !!!

The total mass of the BH must reside, completely, and only, in the self-energy of the curvature of spacetime around the hole!

Here are a couple of quotes from the paper: "... the field energy outside a Schwarzschild black hole totals Mc^2." and, " ... all these formulae lead to all the black hole's mass being accounted for by field energy outside the hole."

The answer to your question, then, is this: information about the mass of a black hole doesn't have to escape from within the black hole because there is no mass inside the black hole. All the mass is distributed in the field outside the hole. Therefore, no information needs to escape from inside.

Puisqu'il n'y a pas de réponses claires présentées par d'autres, je choisis cela comme la réponse la plus proche car cela laisse entendre que la présence de la masse du trou noir a comprimé le tissu de l'espace et que le tissu compressé de l'espace fait que l'effet de la gravité agit sur tout autremasse voisine dans sa sphère d'influence.
@GeorgeJones Merci pour le vote favorable, George, mais la présence d'un trou noir ne comprime pas le tissu de l'espace, cela l'amincit.Plus le trou est proche, plus l'espace devient mince.A l'horizon, la densité d'énergie de la variété elle-même passe à zéro.Cela implique fortement que les trous noirs sont, littéralement, des trous ou des cavités dans la variété de l'espace-temps (la récente théorie quantique du pare-feu soutient également cette notion).Voici une belle illustration d'une page de la physique: http://dcgeorge.com/images/TheMeaningOfMatter/ThePhysicsOfACavityInSpace.jpg
peut-être avez-vous raison lorsque vous êtes près du trou noir, mais je crois que les corps dans l'espace, comme notre terre ou notre soleil, compriment le tissu de l'espace, c'est cette compression qui plie la lumière et provoque une lentille gravitationnelle.Et puis, comme vous le dites, le tissu de l'espace s'effondre lorsque l'énorme gravité d'un trou noir affecte ce tissu.La grande question est de savoir en quoi consiste ce tissu.Je vais chercher vos images, merci
regardez la déclaration précédente, votre adresse ne s'affiche pas?
@Wookie - Si la variété de l'espace-temps elle-même a un contenu énergétique intrinsèque et que toute la masse / énergie associée au trou noir (mc ^ 2) est à l'extérieur du trou dispersé dans le champ gravitationnel, je ne vois aucune autre conclusion.Cela me dit qu'un trou noir n'est que cela, un trou dans le collecteur.Tout ce qu'il y a dans le trou noir, c'est son champ gravitationnel.Donc, pour répondre à votre question, oui, il me semble qu'il n'y a pas d'espace-temps dans le rayon de Schild.(Firewall Theory est d'accord, pour ce que ça vaut).
#13
+8
Gergely
2010-11-17 00:11:55 UTC
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Le trou noir "fuit" des informations, mais ce n'est pas dû aux "gravitions, mais sous la forme du rayonnement de Hawking. Il a sa base en mécanique quantique, et est une sorte de rayonnement thermique avec un taux extrêmement faible. Cela signifie également que le trou noir s’évapore lentement, mais à une échelle de temps comparable à l’âge de l’univers.

L’origine de ce rayonnement peut être décrite en agitant un peu la main comme tel: en raison de fluctuations quantiques, il y a création de paires particules-antiparticules dans le vide. Si une telle création de paires se produit à l'horizon, l'une des paires peut tomber dans le trou noir tandis que l'autre peut s'échapper. Pour préserver le total énergie (puisque les fluctuations de vide sont autour de 0) avec une particule qui s'envole maintenant, sa paire déchue doit avoir une énergie négative du point de vue du trou noir, donc elle perd effectivement de la masse. L'observateur extérieur perçoit tout ce processus comme " évaporation ".

Ce rayonnement a une distribution comme décrit par une "température", qui est inversement proportionnelle à la masse du trou noir.

Pourrait vouloir vérifier http://en.wikipedia.org/wiki/Hawking_radiation et autres sources pour plus de détails ...

#14
+7
leaveswater02
2015-01-03 21:09:18 UTC
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ce n'est pas la gravité qui transporte l'information - on apprend simplement le trou noir en observant les effets de la gravité sur les objets proches (comme vous l'avez justement souligné, rien n'échappe à un trou noir après avoir traversé un horizon d'événement, donc rien de ce qui arrive aux objets au-delà de ce point, sauf qu'ils ne sont plus jamais observés). La gravité est une force et nous en avons besoin pour agir quelque part avant de tirer des conclusions sur ses caractéristiques dynamiques.

#15
+5
Timothy
2016-05-18 06:12:54 UTC
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Je pense que l'explication correcte de la raison pour laquelle un trou noir a de la gravité est une explication de la mécanique quantique, mais je pense que dans de nombreuses situations, y compris celle-ci, la mécanique quantique simule la mécanique classique, donc je vais expliquer comment il est possible que la mécanique classique prédit qu'un trou noir a la gravité. En lisant une réponse de Quora, je pense que selon la relativité générale, le champ gravitationnel à l'extérieur d'un trou noir est auto-entretenu et n'est pas causé par la matière à l'intérieur du trou noir et c'est le champ gravitationnel à l'extérieur du trou noir qui rend continuellement la gravitation. le champ à l'intérieur fonctionne comme il le fait. D'après la vidéo YouTube https://www.youtube.com/watch?v=vNaEBbFbvcY, nous ne savons même pas que la matière ne disparaît pas lorsqu'elle atteint la singularité. Je ne sais pas tout à fait comment fonctionne la relativité générale mais après avoir appris les lois de conservation, je soupçonne que lorsqu'un petit objet solide tombe dans un trou noir supermassif, il subit extrêmement peu d'échauffement gravitationnel et libère beaucoup moins d'énergie que sa masse multipliée par $ c ^ 2 $ et du fait du champ gravitationnel de l'objet, l'augmentation de la masse du trou noir définie par la force de son champ gravitationnel augmente presque exactement la masse de l'objet qui est tombé. Bien que cela explique classiquement comment il est possible qu'un trou noir existe, l'univers suit vraiment la mécanique quantique, donc vous vous demandez peut-être comment les gravitons s'échappent du trou noir.

En fait, un trou noir isolé de n'importe quelle masse, charge et moment angulaire a un champ gravitationnel inchangé, donc il n'émet pas de gravitons, attendez peut-être ceux à très basse énergie, y compris ceux causés par le champ gravitationnel à évolution lente provoquée par Hawking radiation. Je pense que deux trous noirs en orbite émettent une onde gravitationnelle afin qu'ils libèrent des gravitons d'énergie plus élevée. Selon la mécanique quantique, les particules peuvent fonctionner comme des ondes, donc je pense que les gravitons sont créés à l'extérieur des deux trous noirs avec une incertitude extrême de position et si la fonction d'onde pouvait s'effondrer presque exactement à une fonction propre de l'opérateur de position, nous observerions des interférences. de chaque graviton avec lui-même mais je ne sais pas s'il existe un moyen de réduire la fonction d'onde d'un graviton à presque exactement une fonction propre de l'opérateur de position comme il y en a pour un photon.

Mise à jour:

Contrairement à avant, je doute maintenant que les photons existent réellement, alors peut-être qu'il en va de même pour les gravitons. J'ai d'abord émis l'hypothèse qu'ils n'existaient peut-être pas lorsque j'ai réfléchi à la meilleure explication classique d'un aliment chauffant par micro-ondes en chauffant par résistance électrique. J'ai donc commencé à poser une question, puis la critique m'a posé la question L'effet photoélectrique peut-il être expliqué sans photons? et sa réponse L'effet photoélectrique peut-il être expliqué sans photons? dit que l'effet photoélectrique peut être expliqué sans photons.

#16
+5
tparker
2017-01-10 23:30:46 UTC
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Je pense que tout le monde complique trop ses réponses.Tout d'abord, comme de nombreuses personnes l'ont souligné, le rayonnement gravitationnel (médié par des gravitons dans le contexte de la mécanique quantique) ne peut pas s'échapper de l'intérieur d'un trou noir.

En ce qui concerne la manière dont les informations sur la masse du trou noir «s'échappent», la réponse est différente pour les trous noirs effondrés et éternels.Pour les trous noirs effondrés, le cône de lumière passé d'un observateur externe coupe toute la masse qui se retrouvera dans le trou noir avant de traverser l'horizon, de sorte que l'observateur puisse "voir" toute la masse.Pour les trous noirs éternels, un observateur externe peut "voir" la singularité du trou blanc que vous obtenez en étendant au maximum la métrique de Schwarzchild, qui "dit" à l'observateur la masse du trou noir.

#17
+1
Roghan Arun
2020-05-17 01:23:56 UTC
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Le trou noir communique la gravité via des gravitons virtuels. Cependant, il ne doit pas être confondu avec les gluons virtuels sortant du trou noir. Les gravitons ne peuvent plus laisser de trous noirs que la lumière ne peut laisser de trous noirs. Cela n'arrive tout simplement pas. Au lieu de cela, il devrait être considéré comme le trou noir déformant le champ gravitationnel (ou le champ électromagnétique pour communiquer la charge électromagnétique) pour montrer à l'univers qu'il a un champ gravitationnel. Les gravitons créés à l'intérieur du trou noir ne quittent jamais le trou noir. Au lieu de cela, le trou noir déforme l'espace et tout autre champ quantique qu'il crée des gravitons virtuels et des photons virtuels pour communiquer sa présence à l'univers. Le théorème de l'absence de cheveux indique que la charge électrique, la masse et le spin sont conservés dans un trou noir. En ce qui concerne la physique, aucune autre propriété n'est conservée. Cependant, il y a une chance qu'il y ait même d'autres propriétés (autres que la charge des trois poils, la masse, la rotation) stockées sur la surface du trou noir (pas le volume).

https://en.wikipedia.org/wiki/No-hair_theorem

Il devrait être considéré comme des champs plutôt que comme des particules car toutes les particules sont des excitations de champs quantiques.C'est aussi la même raison pour laquelle les radiations de colportage se produisent.Le trou noir perturbe le champ électromagnétique (pourrait être d'autres champs) et crée un photon d'énergie négative et un photon d'énergie positive et l'énergie négative tombe dans le trou noir, ce qui entraîne une perte de masse du trou noir.Même ici, rien ne quitte les trous noirs et aussi les champs communiquent la force.Toutes les particules ne sont que des vibrations de leur champ particulier.


Ce Q&R a été automatiquement traduit de la langue anglaise.Le contenu original est disponible sur stackexchange, que nous remercions pour la licence cc by-sa 2.0 sous laquelle il est distribué.
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