Les premiers signes de la gravité quantique pourraient se cacher dans la surface des trous noirs
Lorsqu’en 1916, Karl Schwarzschild publie une première solution aux équations d’Einstein, l’intérêt pour cette découverte est limité. Ce n’est qu’en 1939 que Robert Oppenheimer interprète ces résultats comme la possible existence d’objets géométriques, connus aujourd’hui sous le nom de trous noirs. Malgré cela, la communauté scientifique ne s’y intéresse guère à l’époque.
Un trou noir est une déformation extrême de la structure de l’espace-temps, où la courbure et l’attraction gravitationnelle deviennent infinies. Tout ce qui s’en approche trop près, y compris la lumière, est irrémédiablement attiré. Ce n’est qu’à partir des années 1970, grâce aux travaux de Stephen Hawking et de Jacob Bekenstein, que les trous noirs acquièrent une reconnaissance scientifique. Ils sont alors considérés comme des objets réels, possédant une « structure microscopique possible ».
En 1972, Hawking démontre que la taille d’un trou noir, plus précisément sa surface sphérique, augmente proportionnellement à la masse de tout ce qui y tombe. Cette relation est semblable au deuxième principe de la thermodynamique, qui stipule que l’entropie, mesurant le désordre d’un système, ne diminue jamais.
Pour Bekenstein, cette augmentation de la surface du trou noir implique qu’il doit avoir une entropie. Si tel n’était pas le cas, l’entropie d’un objet tombant dans le trou noir, comme une tasse de thé chaud, disparaîtrait, violant ainsi la deuxième loi de la thermodynamique. Bekenstein propose alors que la surface du trou noir soit un indicateur de son entropie.
Hawking transforme cette conjecture en une formule quantitative, combinant les équations de la mécanique quantique avec celles décrivant l’espace-temps déformé autour d’un trou noir. Il établit que les trous noirs rayonnent comme n’importe quel objet chaud, possédant ainsi une température mesurable.
L’entropie, qui représente le nombre d’options possibles d’un système, est généralement proportionnelle au volume. Cependant, pour les trous noirs, la formule de Bekenstein-Hawking indique que l’entropie est proportionnelle à leur surface. Cela signifie que toutes les informations microscopiques inaccessibles depuis l’extérieur d’un trou noir sont codées à sa surface, rendant le volume à l’intérieur de cette frontière imperméable dépourvu d’informations supplémentaires.
Cette loi entropie-surface est un pilier de la compréhension actuelle de la gravité quantique. Selon Yuk Ting Albert Law, tout modèle de gravité quantique doit expliquer l’entropie des trous noirs. La théorie des cordes, qui décrit l’origine quantique de la gravité, a permis de dénombrer les états microscopiques d’un trou noir et d’obtenir la formule d’entropie-surface de Bekenstein.
Des physiciens avancent que la structure sous-jacente des trous noirs pourrait exister dans un espace-temps à une dimension inférieure, un principe holographique qui pourrait s’appliquer à l’espace-temps en général. Cela suggère que la structure gravitationnelle de notre univers pourrait émerger de phénomènes se produisant à une frontière de dimension inférieure.
Source : Pour la Science
