Un nouveau lien mystérieux entre la théorie de la chaleur et les tr…
Il y a environ 50 ans, Stephen Hawking et son collègue Jacob Bekenstein établissaient un lien profond entre la thermodynamique, qui gouverne l'Univers des étoiles aux réactions chimiques de la...
L'entropie, que les physiciens notent S, est une quantité importante en physique qui gouverne la manière dont on peut transformer une quantité de chaleur Q en quantité de travail W. Elle a d'ailleurs été découverte avec certaines de ses implications en analysant les moteurs à vapeur dans le but d'optimiser leur fonctionnement (voir les cours de Feynman). Elle est reliée au fameux second principe de la thermodynamique découvert par le physicien français Sadi Carnot au XIXe siècle (ne pas le confondre avec son neveu, le président de la troisième République).
Hawking, Bekenstein et Starobinski
Au XXe siècle, le physicien Jacob Bekenstein a découvert de façon étonnante que l'on pouvait attribuer une entropie à des trous noirs. Stephen Hawking a ensuite montré que pour que ce soit le cas, il fallait que les trous noirs puissent rayonner en vertu des lois de la mécanique quantique - découvrant ainsi une profonde relation entre la théorie de la relativité générale décrivant les trous noirs, la thermodynamique et la mécanique quantique.
Jacob Bekenstein, le découvreur de l'entropie des trous noirs, est mort
Le nom de Jacob Bekenstein n'est pas aussi célèbre que celui de Stephen Hawking. Pourtant, c'est lui qui révéla l'entropie des trous noirs conduisant Hawking à sa mémorable découverte de leur évaporation et du problème de l'information qui en découle. Il avait aussi produit des travaux notables sur une alternative à la matière noire.... Lire la suite
L'ironie de cette histoire, c'est que Hawking pensait initialement que Bekenstein avait tort et, pour le démontrer, il était allé à Moscou pour apprendre la théorie des champs quantiques en espace-temps courbe, développée en particulier par Alexei Starobinski.
Pionnier de la théorie des trous noirs et de l'inflation cosmique avant Hawking, Alexeï Starobinski est décédé
Un des grands noms de la cosmologie du XXe siècle vient de nous quitter à l'âge de 75 ans, le Russe Alexeï Starobinski. Stephen Hawking avait appris de lui et de son mentor comment faire des calculs de théorie quantique des champs en espace-temps courbe, ce qui lui avait permis de faire sa découverte du rayonnement des trous noirs. Quelques années plus tard, Starobinski allait proposer un modèle de cosmologie quantique considéré aujourd'hui comme un des meilleurs et conduisant à une phase d'inflation cosmique à l'origine de la naissance des galaxies et de certaines caractéristiques du rayonnement fossile.... Lire la suite
Ironiquement aussi, Hawking avait montré que lors de la collision de deux trous noirs, le trou noir résultant de la fusion avait une surface pour son horizon des événements nécessairement plus grande que la somme des surfaces de chacun des trous noirs avant la fusion. Si l'on reliait la surface de l'horizon d'un trou noir à une entropie, on retrouvait donc un théorème de la thermodynamique qui veut que l'entropie d'un système isolé ne peut que croître.
Il n'est pas possible de « voir » les ondes gravitationnelles de la même manière que l'on voit la lumière, car elles ne sont pas émises sous forme de photons. Les ondes gravitationnelles sont des perturbations de l'espace-temps causées par des événements cosmiques extrêmes, comme la fusion de trous noirs. D'où l'utilisation de cette illustration pour vous aider à visualiser ce phénomène. © Peter Jurik, Adobe Stock
De nos jours, on observe des sources d'ondes gravitationnelles résultant de la fusion de deux trous noirs. Or, le spectre de ces ondes renseigne sur les masses et les moments cinétiques de rotation des trous noirs avant et après une fusion.
Fantastique : les ondes gravitationnelles confirment que Stephen Hawking avait raison pour les trous noirs !
Les trous noirs rendus particulièrement célèbres par les ouvrages et les travaux de Stephen Hawking existent-ils vraiment ? L'astronomie des ondes gravitationnelles fête en ce mois de septembre 2025 dix ans de succès depuis sa naissance. Deux nouveaux résultats fascinants dans ce domaine viennent d'être annoncés !... Lire la suite
Une combinaison de calculs analytiques et de calculs numériques sur ordinateur permet de simuler un large catalogue de sources d'ondes en fonction des masses et des moments cinétiques, de sorte que l'on peut effectivement déduire des valeurs précises de ces quantités à partir du spectre de ces ondes.
Un principe d'entropie maximale pour les trous noirs ?
Une équipe de physiciens états-uniens de l'université Penn State vient de faire une nouvelle découverte remarquable sur ce même sujet, comme elle l'explique dans un article publié dans Physical Review Letters et dont une version en accès libre existe sur arXiv.
Donnons quelques précisions pour savoir de quoi il est question.
Hawking et Bekenstein ont donc montré que l'entropie S d'un trou noir de Kerr en rotation, un trou noir réaliste formé par l'effondrement d'une étoile en rotation, dépend de sa masse M et de son moment cinétique de rotation J.
Lors d'une fusion de trous noirs, une partie de la masse et du moment cinétique des deux trous noirs initiaux est rayonnée sous forme d'ondes gravitationnelles. En vérifiant ce phénomène avec des simulations numériques, les chercheurs ont découvert que la masse et le moment cinétique du trou noir final tendent à maximiser l'entropie finale possible en fonction des masses et des moments cinétiques initiaux.
Un résultat profond et remarquable qui doit là aussi nous dire quelque chose de profond sur la physique fondamentale, que ce soit sur la matière ou sur l'espace-temps courbe. Rappelons qu'il existe une version plus profonde de l'entropie du XIXe siècle, l'entropie statistique de von Neumann.