une variété de temps depuis le Big Bang. L’entropie a toujours augmenté. NASA, ESA, et A. Feild (STScI)
La deuxième loi de la thermodynamique est l’une de ces lois déroutantes de la nature qui émerge simplement des règles fondamentales. Elle dit que l’entropie, une mesure du désordre dans l’Univers, doit toujours augmenter dans tout système fermé. Mais comment est-il possible que notre Univers actuel, qui semble être organisé et ordonné avec des systèmes solaires, des galaxies et une structure cosmique complexe, soit en quelque sorte dans un état d’entropie plus élevé que juste après le Big Bang ? C’est ce que notre supporter Patreon Patrick Dennis veut savoir:
La compréhension commune de l’entropie et du temps implique un état de très faible entropie juste après le Big Bang. Pourtant, ce moment est souvent décrit comme une « soupe » de photons, de quarks et d’électrons, quelque chose qui, par comparaison avec les exemples quotidiens des manuels scolaires, semble avoir une entropie très élevée….. Comment cet état primitif peut-il être de faible entropie ?
La flèche thermodynamique du temps implique que l’entropie augmente toujours, donc elle a intérêt à être plus grande aujourd’hui qu’elle ne l’était dans le passé.
rayonnement, et était si chaud et dense que les quarks et les gluons présents ne se sont pas formés en protons et neutrons individuels, mais sont restés dans un plasma de quark-gluon. Collaboration RHIC, Brookhaven
Et pourtant, si nous pensons à l’Univers très primitif, il ressemble vraiment à un état de haute entropie ! Imaginez : une mer de particules, y compris de la matière, de l’antimatière, des gluons, des neutrinos et des photons, tous virevoltant à des énergies des milliards de fois supérieures à ce que même le LHC peut obtenir aujourd’hui. Elles étaient si nombreuses – peut-être 10^90 au total – toutes entassées dans un volume aussi petit qu’un ballon de football. À l’instant même du Big Bang chaud, cette minuscule région contenant ces particules formidablement énergétiques allait se développer pour devenir l’ensemble de notre Univers observable au cours des 13,8 milliards d’années suivantes.
aujourd’hui, a subi une énorme quantité de croissance et d’évolution, et continue de le faire. NASA / CXC / M.Weiss
Il est tout à fait clair que l’Univers actuel est beaucoup plus froid, plus grand, plus chargé de structures et non uniforme. Mais nous pouvons en fait quantifier l’entropie de l’Univers aux deux moments, au moment du Big Bang et aujourd’hui, en termes de constante de Boltzmann, kB. Au moment du Big Bang, la quasi-totalité de l’entropie était due au rayonnement, et l’entropie totale de l’Univers était S = 1088kB. En revanche, si nous calculons l’entropie de l’Univers aujourd’hui, elle est environ un quadrillion de fois plus grande : S = 10103kB. Bien que ces deux nombres semblent grands, le premier est très certainement de faible entropie par rapport au second : il n’est que de 0,0000000000001 % aussi grand !
plus aggloméré, et générant de la lumière stellaire que ne l’était l’Univers primitif. Alors pourquoi l’entropie est-elle si différente ? ESA, NASA, K. Sharon (Université de Tel Aviv) et E. Ofek (Caltech)
Il y a une chose importante à garder à l’esprit lorsque nous parlons de ces chiffres, cependant. Lorsque vous entendez des termes comme « une mesure du désordre », c’est en fait une très, très mauvaise description de ce qu’est réellement l’entropie. Imaginez plutôt que vous disposez d’un système quelconque : matière, rayonnement, etc. On peut supposer qu’il y a de l’énergie encodée à l’intérieur, qu’il s’agisse d’énergie cinétique, potentielle, de champ ou de tout autre type. Ce que l’entropie mesure en fait, c’est le nombre d’arrangements possibles de l’état de votre système.
gauche et qu’on laisse évoluer deviendra spontanément le système de droite, en gagnant de l’entropie au passage. Utilisateurs de Wikimedia Commons Htkym et Dhollm
Si votre système a, par exemple, une partie froide et une partie chaude, vous pouvez l’arranger de moins de façons que si l’ensemble est à la même température. Le système, ci-dessus, à gauche, est un système à plus faible entropie que celui de droite. Les photons du fond diffus cosmologique ont pratiquement la même entropie aujourd’hui qu’à la naissance de l’Univers. C’est pourquoi on dit que l’Univers se développe de manière adiabatique, c’est-à-dire avec une entropie constante. Bien que nous puissions regarder des galaxies, des étoiles, des planètes, etc., et nous émerveiller de leur aspect ordonné ou désordonné, leur entropie est négligeable. Alors qu’est-ce qui a provoqué cette formidable augmentation d’entropie ?
avec, mais a grandi pour acquérir au fil du temps. Ils dominent maintenant l’entropie de l’univers. Ute Kraus, groupe d’éducation physique Kraus, Universität Hildesheim ; Axel Mellinger (fond)
La réponse est les trous noirs. Si vous pensez à toutes les particules qui entrent dans la fabrication d’un trou noir, c’est un nombre énorme. Une fois que vous tombez dans un trou noir, vous arrivez inévitablement à une singularité. Et le nombre d’états est directement proportionnel aux masses des particules dans le trou noir, donc plus vous formez de trous noirs (ou plus vos trous noirs deviennent massifs), plus l’entropie augmente dans l’Univers. À lui seul, le trou noir supermassif de la Voie lactée a une entropie de S = 1091 kB, soit environ 1 000 fois plus que l’Univers entier au moment du Big Bang. Compte tenu du nombre de galaxies et des masses des trous noirs en général, l’entropie totale atteint aujourd’hui une valeur de S = 10103 kB.
Le trou noir au centre de notre galaxie : Sagittarius A*. Il a une masse d’environ quatre millions de soleils… et une entropie d’environ 1000 fois celle de l’ensemble du Big Bang. Rayon X : NASA/UMass/D.Wang et al., IR : NASA/STScI
Et cela ne va faire qu’empirer ! Dans un avenir lointain, de plus en plus de trous noirs se formeront, et les grands trous noirs qui existent aujourd’hui continueront de croître pendant environ les 1020 prochaines années. Si l’on transformait l’Univers entier en un trou noir, nous atteindrions une entropie maximale d’environ S = 10123 kB, soit un facteur de 100 quintillions supérieur à l’entropie actuelle. Lorsque ces trous noirs se désintègrent sur des échelles de temps encore plus grandes – jusqu’à environ 10100 ans – cette entropie restera presque constante, car le rayonnement de corps noir (Hawking) produit par les trous noirs en désintégration aura le même nombre d’arrangements d’états possibles que le trou noir anciennement existant lui-même.
et s’évaporent grâce au rayonnement de Hawking. C’est là que se produit la perte d’information, car le rayonnement ne contient plus l’information autrefois encodée sur l’horizon. Illustration de la NASA
Alors pourquoi l’Univers primitif était-il si peu entropique ? Parce qu’il ne comportait pas de trous noirs. Une entropie de S = 1088 kB reste une valeur extrêmement importante, mais c’est l’entropie de l’Univers entier, qui est presque exclusivement encodée dans les restes de rayonnement (et, dans une moindre mesure, de neutrinos) du Big Bang. Parce que les « choses » que nous voyons lorsque nous observons l’Univers, comme les étoiles, les galaxies, etc., ont une entropie négligeable par rapport à ce rayonnement résiduel, il est facile de nous tromper en pensant que l’entropie change de manière significative lorsque la structure se forme, mais c’est simplement une coïncidence, pas la cause.
l’Univers à former sa toute première étoile, et son tout premier trou noir. Jusqu’à ce que cela se produise, l’entropie de l’Univers, avec une précision de plus de 99%, est restée inchangée. NASA/CXC/CfA/R. Kraft et al.
Si les trous noirs n’existaient pas, l’entropie de l’Univers aurait été presque constante pendant les 13,8 milliards d’années passées ! Cet état primitif avait en fait une quantité considérable d’entropie ; c’est juste que les trous noirs en ont tellement plus, et sont si faciles à fabriquer d’un point de vue cosmique.
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