Que sont les trous noirs virtuels ?

Selon la mécanique quantique, à l’échelle de Planck, le vide est un chaos bouillonnant d’énergie. À cette échelle, l’énergie du vide fluctue, donnant naissance à des fluctuations quantiques matérialisant extrêmement brièvement des paires de particules-antiparticules virtuelles. La gravité peut également être sujette à ces fluctuations quantiques et, lorsque c’est le cas, des trous noirs virtuels peuvent alors apparaître.

L’énergie du vide quantique est présente en tous points de l’espace. Cette énergie fluctue en permanence autour de sa valeur moyenne, selon une relation liant le temps et l’énergie tirée du principe d’indétermination d’Heisenberg. Cette inégalité montre que l’énergie d’un système est inversement proportionnelle à la durée de la mesure effectuée. Ainsi, il peut y avoir une variation spontanée de valeur d’énergie du vide pendant un intervalle de temps extrêmement court, correspondant à une « création » ou à un « excès » d’énergie.

Cette variation se matérialise alors par la création d’une paire particule-antiparticule virtuelle (électron-positron, photon-photon, etc) qui s’annihile presque aussitôt après être apparue. Toutefois, le champ électrodynamique (champ électromagnétique dans le cadre de la théorie quantique des champs) n’est pas le seul à fluctuer dans le vide. La gravitation est également sujette à ces fluctuations permanentes.

C’est une autre forme du principe d’indétermination d’Heisenberg qui décrit les fluctuations topologiques du champ gravitationnel à l’échelle de Planck. Cette relation implique le rayon de courbure local de l’espace-temps « Rμ », la coordonnée de la courbure « xμ », la longueur de Planck « lp », la constante de Planck réduite « ħ », la constante gravitationnelle « G » et la vitesse de la lumière dans le vide « c » :

Cette relation est obtenue à partir des équations de la relativité générale. Elle montre qu’à l’échelle de Planck, la borne inférieure de la métrique de l’espace-temps est la longueur de Planck. Au milieu de cette mousse quantique, le rayon de courbure peut prendre temporairement des valeurs telles que la configuration de la géométrie de l’espace-temps n’est autre qu’un trou noir qui s’évapore quasi-immédiatement.

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Il s’agit alors d’un trou noir virtuel. Un tel trou noir posséderait une masse égale à la masse de Planck, et une durée de vie égale au temps de Planck.

Les trous noirs émergent selon une densité égale à un par volume de Planck. Selon le processus du rayonnement de Hawking, plus un trou noir est dense, plus il s’évapore rapidement. C’est pourquoi les trous noirs virtuels ont une durée de vie si brève.

Les trous noirs virtuels, s’ils existent, violent la conservation du nombre baryonique et offrent ainsi un mécanisme sous-tendant la désintégration du proton.

Si deux des trois quarks constitutifs d’un proton tombent dans un trou noir virtuel, il est possible qu’un antiquark et un lepton émergent, violant ainsi la conservation du nombre baryonique. En outre, l’existence des trous noirs virtuels complique la recherche de solutions au paradoxe de l’information.