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Les trous noirs obéissent-ils aux lois de la thermodynamique ?

Dans les années 1970, les physiciens avaient cru noter une similarité entre l'étude des trous noirs et la seconde loi de la thermodynamique. Celle-ci prédit que l'entropie, ou degré de désorganisation d'un système, ne peut jamais diminuer.

Autrement dit le désordre, c'est-à-dire en l'espèce la complexité de l'univers, ne peut jamais retourner à l'ordre initial. C'est d'ailleurs une bonne chose, sinon l'univers disparaîtrait à nouveau. Concernant le trou noir, Stephen Hawking avait démontré que l'horizon de celui-ci, qui définit ses frontières, ne peut pas diminuer. Par conséquent, le trou noir ne peut pas régresser. Il attirera de plus en plus de matière qui y disparaîtra à jamais.

Ceci n'avait pas paru dépasser le niveau des hypothèses théoriques indémontrables. Peu après cependant différentes théories démontrèrent que les équations permettant de décrire les trous noirs n'étaient que des applications des lois de la thermodynamique dans le domaine des trous noirs. En 1972, Jacob Bekenstein avait montré que la surface d'un trou noir était proportionnelle à son entropie. En 1974, Hawking lui-même avait découvert que les trous noirs paraissaient émettre des radiations, autrement dit des rayonnements, nommées depuis radiations de Hawking. Ces radiations avaient une « température » analogue à celle que prévoyait la thermodynamique.

Certains physiciens avaient alors pensé que ces phénomènes pourraient conduire à rapprocher la mécanique quantique, qui concerne le monde subatomique, et la relativité générale, qui concerne l'univers au sens le plus large. La thermodynamique découle d'études statistiques décrivant le comportement de tous les atomes de l'univers, qu'ils soient observables ou non. Si le trou noir obéit aux lois de la thermodynamique, on peut supposer qu'une description statistique de tous ses éléments indivisibles peut être faite. Mais dans le cas du trou noir, ces éléments ne sont pas des atomes, par définition inobservables. N'y aurait-il pas une loi commune gouvernant l'organisation de l'espace et du temps, à tous ses niveaux.

Les théoriciens considèrent que cette loi pourrait découler des hypothèses de la nouvelle théorie de la gravitation quantique ou gravité quantique qui vise à rapprocher deux descriptions de l'espace-temps s'ignorant jusqu'à présent, la mécanique quantique et la relativité générale dite aussi einsteinienne à laquelle les scientifiques se réfèrent en permanence en ce qui concerne concernant les phénomènes macroscopiques. 

Nous ferons remarquer pour notre part que les trous noirs sont longtemps restés une hypothèse théorique. C'est tout récemment que l'on a pensé pouvoir les observer. Voir https://www.24heures.ch/savoirs/devrait-savoir-trous-noirs/story/29058395 . Tous les cosmologistes ne sont pas convaincus.

Pour en avoir plus

* Dans l'article référencé ici, que nous ne traduirons pas, Craig Callender, philosophe des sciences à l'Université de Californie, suggère que les lois de la thermodynamique des trous noirs ne sont qu'une simple application des lois de la thermodynamique. Pour rédiger le présent texte, nous nous sommes inspirés d'éléments proposés par l'introduction à l'article, dont l'auteur est Brendan Foster.

* Voir aussi un article d'Aurélien Barrau, spécialiste français de la gravitation quantique, daté du 26 septembre 2016 : Gravitation quantique. Où en est-on ?

 

07/09/2019
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