Entropie des trous noirs

L'entropie des trous noirs est une notion issue de l'étude des trous noirs dans le cadre de la relativité générale et de la théorie quantique des champs, en relation avec la thermodynamique.



Catégories :

Trou noir - Théorie quantique des champs - Physique quantique - Théorie des cordes - Gravité quantique

Recherche sur Google Images :


Source image : www.futura-sciences.com
Cette image est un résultat de recherche de Google Image. Elle est peut-être réduite par rapport à l'originale et/ou protégée par des droits d'auteur.

Page(s) en rapport avec ce sujet :

  • Néanmoins Hawking a peu après démontré par un calcul de théorie quantique des champs que le résultat sur l'entropie des trous noirs est énormément plus qu'une... (source : ilephysique)
  • L'entropie des trous noirs est une grandeur paradoxale : comment comprendre que les ..... Alors que classiquement rien ne peut s'échapper d'un trou noir, ... (source : lpsc.in2p3)
Icône de détail Pour consulter un article plus général, voir : Trou noir.

L'entropie des trous noirs est une notion issue de l'étude des trous noirs dans le cadre de la relativité générale et de la théorie quantique des champs, en relation avec la thermodynamique. Depuis les années 1970, il a été montré par les physiciens Stephen Hawking et Jacob Bekenstein que les trous noirs possédaient, tout comme les objets ordinaires une entropie, c'est-à-dire une mesure de la quantité d'information qu'ils renferment.

Contexte historique

Le concept d'entropie des trous noirs est né suite à un article de Stephen Hawking qui s'interrogeait sur des aspects énergétiques liés à la collision de deux trous noirs. Si on considère deux trous noir de masses M et M', on peut associer une énergie à ce dispositif qui vaut, selon la célèbre formule E=mc², (M + M') c2, où c est la vitesse de la lumière. Si on imagine que ces deux trous noirs entrent en collision, le produit de la collision sera un trou noir. La conservation de l'énergie implique que l'énergie totale du dispositif soit la même que auparavant, cependant, lors de leur collision, les deux trous noirs vont probablement rayonner une quantité non négligeable d'énergie sous forme d'ondes gravitationnelles. L'étude de Hawking avait pour but de déterminer quel «rendement» optimal on pouvait tirer d'un tel événement, c'est-à-dire quelle quantité maximale d'énergie pouvait être extraite des deux trous noirs sous forme d'ondes gravitationnelles. Le résultat trouvé par Hawking fut étonnant et particulièrement général : quelles que soient les masses, les charges électriques et les moment cinétiques des deux trous noirs, la quantité maximale d'énergie qu'ils pouvaient rayonner était telle que la surface du trou noir final devait être supérieure où identique à la somme des deux surfaces des trous noirs. Un tel résultat présentait une ressemblance frappante avec le second principe de la thermodynamique, qui stipule que l'entropie d'un dispositif ne peut que croître au cours du temps. Il était par conséquent tentant d'associer à un trou noir une entropie proportionnelle à sa surface, mais la thermodynamique indique qu'un dispositif physique auquel on associe une entropie doit aussi posséder une certaine température. De plus, un objet porté à une température non nulle émet un certain rayonnement électromagnétique. À l'inverse, un trou noir est un objet qui par définition n'émet aucune forme de matière ou de rayonnement. Il semblait par conséquent y avoir impossibilité de pouvoir associer de quelque manière que ce soit une entropie aux trous noirs.

Peu après, le physicien Jacob Bekenstein étudia la variation des paramètres décrivant un trou noir lors de l'absorption par ce dernier d'une particule élémentaire. Il montra que si on suppose la particule strictement ponctuelle, alors pour certaines trajectoires de celle-ci, la surface du trou noir pouvait rester constante. Cependant dès qu'on tenait compte du fait que toute particule élémentaire se voit assigner une certaine extension spatiale par la mécanique quantique (voir longueur d'onde de Compton), alors la surface d'un trou noir augmentait obligatoirement lors de l'absorption de la particule, et ce d'une quantité proportionnelle à une fraction de la surface de Planck. En assignant heuristiquement un bit d'information à une particule élémentaire, il devenait tentant d'affirmer que la surface d'un trou noir était une mesure de la quantité d'information absorbée par ce dernier, le nombre de bits d'information étant proportionnel au rapport de la surface du trou noir à la surface de Planck, ce qui correspond ici encore à une définition de l'entropie en physique statistique.

Enfin, en parallèle à ces travaux s'est développée ce qui s'est finalement nommé la thermodynamique des trous noirs, c'est-à-dire un ensemble de ressemblance frappant entre des propriétés bien connues des dispositifs thermodynamiques et les paramètres décrivant les trous noirs. Surtout, une des formulation de la thermodynamique indique que la variation dUde l'énergie interne s'exprime sous la forme d'une variation d'entropie dS sous la forme

dU = TdS +... ,

T représente la température du dispositif, et où les points de suspension représentent d'autres termes éventuels qui dépendent du dispositif reconnu. Si on considère le trou noir le plus simple qui soit, un trou noir de Schwarzschild, alors la relation enre la masse M et la surface A de ce trou noir peut s'écrire

{\rm d} M cˆ2 = \frac{cˆ2}{G} \frac{\kappa}{8 \pi} {\rm d} A,

κ est une quantité nommée gravité de surface, qui est une mesure de l'intensité du champ gravitationnel au voisinage du trou noir[1], et G la constante de gravitation. Le membre de gauche de cette équation représente une variation d'énergie (toujours par la formule E=mc²), qu'il est tentant d'identifier à la variation d'énergie interne en thermodynamique ordinaire, et par ressemblance, il est tentant d'identifier la surface du trou noir à une forme d'entropie. Cependant, ici encore, rien de précis concernant la signification de la température associée au trou noir apparaît.

La solution à ses interrogations est venue en 1974 lorsque Stephen Hawking réussit à démontrer qu'en raison effets de mécanique quantique, les trous noirs rayonnaient. La forme de ce rayonnement est précisément celle d'un corps noir, c'est-à-dire d'un objet à l'équilibre thermique. De plus, Hawking calcula la température de ce rayonnement, qui se trouvait proportionnelle à la gravité de surface, comme suggéré par l'ressemblance thermodynamique déjà mentionnée. Ainsi, connaissant la valeur de la température, Hawking put proposer que les trous noirs possédaient une entropie, s'exprimant en termes de leur surface A par la formule

S_{\rm BH} = \frac{1}{4} k_{\rm B} \frac{cˆ3}{\hbar G} A,

kB est la constante de Boltzmann et \hbar la constante de Planck réduite. Ce résultat correspondait précisément à l'interprétation en termes de bits d'informations trouvé par Bekenstein peu de temps jusque là[2]. Les indices «BH», fréquemment indiqués dans la littérature scientifique, peuvent soit se référer à «Black Hole» («trou noir» en anglais) ou à «Bekenstein-Hawking».

La formule ci-dessus est connue sous le nom de formule de Bekenstein-Hawking. Avant sa découverte du rayonnement qui porte son nom, Hawking s'était montré particulièrement sceptique quant à la possibilité suggérée par Bekenstein que la notion d'entropie des trous noirs puisse avoir un sens.

Trous noirs et thermodynamique

La découverte de l'entropie des trous noirs permit de trouver une explication à un autre problème identifié depuis longtemps avec les trous noirs : celui de la violation apparente du second principe de la thermodynamique. Ce dernier stipule en effet que l'entropie d'un dispositif ne peut que croître au cours du temps. Or avec un trou noir auquel on n'associe pas d'entropie, il est envisageable de faire «disparaître de l'entropie» en y jetant simplement des objets dedans. La formule de Bekenstein-Hawking résout ce paradoxe en indiquant que l'entropie d'un trou noir augmente tandis qu'il absorbe un objet, et que son augmentation d'entropie est toujours supérieure à celle de l'objet absorbé. De même, l'entropie d'un trou noir a tendance à baisser quand ce dernier rayonne, car ce rayonnement s'accompagne d'une perte d'énergie et par suite d'une diminution de la taille du trou noir[3]. Cependant, l'entropie de la radiation émise par le trou noir est cette fois supérieure à l'entropie perdue par le trou noir. Ainsi, quel que soit le processus envisagé impliquant un ou des trous noirs, l'entropie totale (somme de l'entropie ordinaire et de celle des trous noirs) augmente toujours au cours du temps.

Interprétation de l'entropie des trous noirs

Une question longtemps non résolue est celle de l'interprétation physique de l'entropie des trous noirs. En thermodynamique, l'entropie est une mesure du nombre d'états que peut posséder la structure microscopique d'un dispositif (par exemple les molécules d'un gaz) qui est caractérisé par certains paramètres macroscopiques (par exemple, le volume, la pression et la température). Dans le cas des trous noirs, il était complexe de comprendre à quels types d'états microscopiques l'entropie découverte par Hawking pouvait se référer. La formule de l'entropie faisant intervenir la constante de Planck, il était conjecturé que ces états ne pourraient être décrits que dans le cadre d'une théorie de la gravitation quantique.

En 1995, Andrew Strominger et Cumrun Vafa ont pu calculer l'entropie correcte d'un certain type de trou noir dit supersymétrique[4] dans le cadre de la théorie des cordes en utilisant une méthode basée sur les «D-branes»[5]. Leurs calculs ont été suivis par de nombreux autres calculs de l'entropie de trous noirs extrêmes, et les résultats sont toujours en accord avec la formule de Bekenstein-Hawking ci-dessus en reproduisant même le préfacteur numérique de l'aire dans la formule. Les chercheurs en gravité quantique à boucles affirment aussi avoir trouvé une interprétation de l'entropie dans le cadre de cette théorie dans le cas le plus simple d'un trou noir de Schwarzschild et sans pouvoir prédire la valeur exacte de celle-ci[6]. Ce résultat n'a pour l'heure pas pu être étendu à d'autres type de trous noirs, au contraire de la théorie des cordes qui apparaît être une voie plus prometteuse.

Notes
  1. Par définition, un trou noir absorbe tout objet qui passe dans son voisinage immédiat, aussi, peut-on dire que le champ de gravité à la surface du trou noir est illimité. Cependant, une autre quantité est illimitée à la surface d'un trou noir, c'est le décalage vers le rouge d'un signal envoyé depuis cette région et reçu par un observateur localisé loin du trou noir. Le rapport de ces deux quantité correspond à l'accélération d'un champ de pesanteur et est pour cette raison nommé gravité de surface.
  2. En effet, le nombre de bits d'informations absorbés par le trou noir est , selon cette formule identique au quart du rapport de la surface du trou noir à la surface de Planck \hbar G / cˆ3.
  3. La taille d'un trou noir augmente avec sa masse, par conséquent son énergie.
  4. Il s'agit en fait de trous noirs apparaissant dans des modèles de physique théorique dont les lois sont différentes de celles qui règnent dans notre univers, mais pour lesquels il reste envisageable de calculer l'aire et par conséquent l'entropie suivant les formules données ci-dessus. À l'heure actuelle (2006), aucun trou noir de type astrophysique n'a pu voir son entropie décrite de façon satisfaisante.
  5. (en) Andrew Strominger, Cumrun Vafa, Microscopic Origin of the Bekenstein-Hawking Entropy, Phys. Lett. B 379 pp. 99-104 (1996) Liste des citations sur SPIRES [1].
  6. Surtout la valeur du facteur 1/4 de la formule ne peut être prédite

Recherche sur Amazone (livres) :




Ce texte est issu de l'encyclopédie Wikipedia. Vous pouvez consulter sa version originale dans cette encyclopédie à l'adresse http://fr.wikipedia.org/wiki/Entropie_des_trous_noirs.
Voir la liste des contributeurs.
La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 12/04/2009.
Ce texte est disponible sous les termes de la licence de documentation libre GNU (GFDL).
La liste des définitions proposées en tête de page est une sélection parmi les résultats obtenus à l'aide de la commande "define:" de Google.
Cette page fait partie du projet Wikibis.
Accueil Recherche Aller au contenuDébut page
ContactContact ImprimerImprimer liens d'évitement et raccourcis clavierAccessibilité
Aller au menu