Selon les physiciens, seulement trois trous noirs en orbite peuvent briser la symétrie d'inversion du temps

Selon les physiciens, seulement trois trous noirs en orbite peuvent briser la symétrie d'inversion du temps

 

La plupart des lois de la physique ne se soucient pas de la direction du temps. En avant, en arrière… de toute façon, les lois fonctionnent exactement de la même manière. Physique newtonienne, relativité générale – le temps n’est pas pertinent pour les mathématiques: c’est ce qu’on appelle la symétrie d’inversion du temps.

 

Dans le vrai univers, les choses deviennent un peu plus compliquées. Et maintenant, une équipe de scientifiques dirigée par l’astronome Tjarda Boekholt de l’Université d’Aveiro au Portugal a montré qu’il suffit de trois corps en interaction gravitationnelle pour briser la symétrie d’inversion du temps.

“Jusqu’à présent, une relation quantitative entre le chaos dans les systèmes dynamiques stellaires et le niveau d’irréversibilité restait indéterminée”, écrivaient-ils dans leur article .

“Dans ce travail, nous étudions les systèmes chaotiques à trois corps en chute libre en utilisant initialement le code à n corps précis et précis Brutus , qui va au-delà de l’arithmétique standard à double précision. Nous démontrons que la fraction des solutions irréversibles diminue en tant que loi de puissance avec une précision numérique. ”

Le problème des n-corps est un problème célèbre en astrophysique. Elle survient lorsque vous ajoutez plus de corps à un système en interaction gravitationnelle.

Les mouvements de deux corps de taille comparable en orbite autour d’un point central sont relativement simples à prédire mathématiquement, selon les lois de Newton du mouvement et la loi de Newton de la gravitation universelle.

Cependant, une fois que vous ajoutez un autre corps, les choses deviennent délicates. Les corps commencent à perturber gravitationnellement les orbites des autres, introduisant un élément de chaos dans l’interaction. Cela signifie que, bien qu’il existe des solutions pour des cas particuliers, il n’y a pas de formule unique – sous la physique newtonienne ou la relativité générale – qui décrit ces interactions avec une précision totale.

Même au sein du système solaire, que nous comprenons assez bien, nous ne pouvons prédire que quelques millions d’années dans le futur. Le chaos dans l’univers est une fonctionnalité, pas un bug. .

Ce qui n’est pas clair, c’est si cela est le résultat du chaos de ces systèmes, ou des problèmes avec les simulations, conduisant à une incertitude sur leur fiabilité.

Ainsi, Boekholt et ses collègues ont conçu un test pour comprendre cela. Lui et l’astrophysicien computationnel Simon Portegies Zwart de l’Université de Leiden aux Pays-Bas ont précédemment écrit un code de simulation à n corps appelé Brutus qui utilise la puissance de calcul par force brute pour réduire l’ampleur des erreurs numériques.

Maintenant, ils l’ont utilisé pour tester la réversibilité temporelle d’un système à trois corps.

“Puisque les équations de mouvement de Newton sont réversibles dans le temps, une intégration en avant suivie d’une intégration en arrière du même temps devrait récupérer la réalisation initiale du système (quoique avec une différence de signe dans les vitesses)”, [19459005 ] ils ont écrit dans leur journal .

“Le résultat d’un test de réversibilité est donc exactement connu.”

Les trois corps du système sont des trous noirs , et ils ont été testés dans deux scénarios. Dans le premier, les trous noirs sont partis du repos, se rapprochant sur des orbites compliquées, avant que l’un des trous noirs ne soit expulsé du système.

Le deuxième scénario commence là où le premier se termine et est exécuté en arrière dans le temps, essayant de restaurer le système à son état initial.

Ils ont découvert que, 5% du temps, la simulation ne pouvait pas être inversée. Il a suffi de perturber le système de la taille d’un Longueur de Planck , qui, à 0,0000000000000000000000000000000000000016 mètre, est la plus petite longueur possible .

“Le mouvement des trois trous noirs peut être si énormément chaotique que quelque chose d’aussi petit que la longueur de Planck influencera les mouvements”, Boekholt a dit . “Les perturbations de la taille de la longueur de Planck ont ​​un effet exponentiel et brisent la symétrie temporelle.”

Cinq pour cent peuvent ne pas sembler beaucoup, mais comme vous ne pouvez jamais prédire laquelle de vos simulations tombera dans ces cinq pour cent, les chercheurs ont conclu que les systèmes à n corps sont donc “fondamentalement imprévisibles”.

Et ils ont montré que le problème n’est pas avec les simulations après tout.

“Ne pas pouvoir remonter le temps n’est plus seulement un argument statistique”, Portegies Zwart a déclaré . “Il est déjà caché dans les lois fondamentales de la nature. Pas un seul système de trois objets en mouvement, grands ou petits, planètes ou trous noirs, ne peut échapper à la direction du temps.”

La recherche a été publiée dans les avis mensuels de la Royal Astronomical Society .

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