Il existe une contradiction flagrante dans notre compréhension actuelle de la physique.
D’une part, l’Univers devient de plus en plus compliqué. La deuxième loi de la thermodynamique l’exige. L’entropie totale dans un système isolé doit augmenter. Le chaos devrait gagner.
D’un autre côté, le cosmos construit des choses incroyables. Galaxies. Des étoiles. Planètes. Toi.
Comment la structure émerge-t-elle du désordre ? Cela ne devrait pas être possible. C’est du moins ce que nous pensions.
Un nouvel article publié dans Physical Review D suggère que le puzzle n’est pas du tout une contradiction. C’est un problème de perspective. Ginestra Bianconi, mathématicien de l’Université Queen Mary de Londres, a appliqué un cadre appelé Gravity from Entropy pour montrer que si l’entropie totale augmente, l’entropie locale peut en fait diminuer. Cela permet à des structures complexes de se former sans enfreindre aucune loi.
Cela change notre façon de voir la gravité, le temps et la structure même de l’espace-temps.
La deuxième loi contre la complexité cosmique
Einstein n’a pas plaisanté. Il a qualifié la deuxième loi de la thermodynamique de principe le plus fondamental de la nature. C’est simple. Les systèmes évoluent vers le désordre. La chaleur se propage. La glace fond.
Les cosmologues sont bloqués là-dessus depuis des décennies.
L’Univers primitif était une soupe à faible entropie. Lisse. Chaud. Sans particularité. Au fil des milliards d’années, cette douceur s’est décomposée en amas de matière. Ces amas se sont effondrés sous l’effet de la gravité pour former des étoiles et des galaxies. C’est une organisation croissante. Il semble que l’entropie diminue.
Mais les calculs indiquent que l’entropie doit augmenter.
Alors, où est passé le désordre ?
La réponse standard implique les trous noirs et la perte d’informations, théories lancées par Jacob Bekenstein et Stephen Hawking dans les années 1970**. Ils ont montré que les trous noirs ont une entropie. Ils émettent un rayonnement thermique. Cela reliait la géométrie de l’espace-temps à la chaleur et à l’information. C’était un début. Mais cela n’explique pas entièrement l’émergence de structures complexes qui soutiennent la vie dans un univers en expansion.
C’est là qu’intervient le travail de Bianconi.
Comment la gravité émerge de la tension informationnelle
La gravité issue de l’entropie (GfE) n’est pas simplement une autre théorie de la gravité. Il s’agit d’une tentative de dériver la gravité elle-même de la mécanique statistique.
Ne considérez pas la gravité comme une force fondamentale, comme l’électromagnétisme. Considérez cela comme un effet secondaire. Une propriété émergente.
Dans ce cadre, la gravité naît d’une tension théorique de l’information. Il y a deux mesures en jeu ici :
- La métrique de l’espace-temps physique (comment nous mesurons la distance).
- Une métrique produite par les champs de matière et la courbure (comment la matière déforme l’espace).
La théorie utilise une mesure appelée Entropie relative géométrique quantique (QGRE) pour calculer la relation entre ces deux métriques. Lorsque la courbure est faible et l’énergie faible, les équations GfE se réduisent à la relativité générale d’Einstein. Nous voyons ce que nous attendons.
Mais dans des conditions plus fortes ? Les équations divergent. Ils génèrent un terme d’énergie sombre dynamique. Ce n’est pas une valeur constante comme dans les modèles standards. Cela change avec le temps. Cela rend la théorie testable. Si nous pouvons mesurer cette fluctuation, nous pourrions prouver ou réfuter le modèle.
Pourquoi l’entropie locale diminue alors que l’entropie totale augmente
Voici l’idée clé qui résout le paradoxe.
Bianconi a appliqué GfE aux espaces-temps Friedmann – Robertson – Walker . Ce sont les modèles mathématiques décrivant un Univers uniforme et en expansion.
Les résultats ont montré une scission.
L’entropie totale augmente. Cela satisfait à la deuxième loi. L’Univers dans son ensemble devient en effet de plus en plus désordonné en termes de contenu informationnel.
Cependant, l’entropie par unité de volume diminue.
À mesure que l’Univers s’étend, l’élément volume physique augmente. L’entropie totale augmente avec cela. Mais comme l’espace s’étire, la quantité d’entropie relative géométrique quantique à l’intérieur de tout volume local spécifique diminue.
Cette séparation est cruciale. Cela signifie que les systèmes locaux peuvent devenir plus organisés – formation d’étoiles, évolution de la vie – tandis que le système global devient plus entropique. Vous pouvez passer commande sur place. Chaos à l’échelle mondiale. Aucune loi enfreinte.
Dans cette perspective, l’énergie sombre dynamique agit comme une énergie interne. QGRE agit comme une entropie locale. La température et la pression efficaces émergent naturellement de l’état quantique. La gravité, d’une certaine manière, est thermique. C’est la mort thermique de l’univers qui se joue à l’échelle cosmique.
Cela peut-il relier la relativité générale et la mécanique quantique ?
Nous ne savons pas encore si c’est vrai.
Le cadre reste théorique. Il est tôt. Mais cela offre un pont potentiel.
La physique a un problème de divorce. La relativité générale (gravité, grandes choses) et la mécanique quantique (particules, petites choses) ne font pas bon ménage. Ils parlent des langues différentes. Ils ignorent les règles de chacun.
GfE suggère qu’ils parlent peut-être la même langue depuis le début. Information. Thermodynamique.
Si la gravité émerge des degrés de liberté microscopiques de la géométrie de l’espace-temps, alors la gravité, la thermodynamique et l’information sont fondamentalement liées. Cela pourrait expliquer pourquoi la complexité apparaît.
“Ce travail révèle comment la théorie de la gravité issue de l’entropie peut résoudre la question difficile de concilier le deuxième principe de la thermodynamique avec l’émergence de la complexité dans notre univers.” — Professeur Ginestra Bianconi
C’est une affirmation audacieuse. Cette gravité ne fait pas que rassembler les choses. C’est trier les informations. C’est gérer la chaleur.
La prochaine étape est l’observation. Le terme d’énergie noire dynamique dans GfE prédit des écarts spécifiques par rapport à la relativité générale dans des champs forts ou à grande échelle. Les astronomes doivent rechercher ces signaux.
En attendant, le paradoxe demeure. Mais cela ressemble moins à une impasse qu’à une carte.
L’Univers ne combat pas le désordre. Il l’utilise pour se construire.
