La gravité n’est-elle qu’une manifestation de l’augmentation de l’entropie ? Une hypothèse ancienne revient sur le devant de la scène
(quantamagazine.org)- Le nouveau modèle de l’équipe de Daniel Carney traite la gravité non comme une force fondamentale, mais comme un effet collectif né de l’augmentation de l’entropie ; il attire l’attention parce qu’il ouvre une brèche vérifiable dans le débat sur la gravité quantique
- Cette approche suppose que des constituants microscopiques invisibles interagissent de façon aléatoire avec la masse, et que leur effet moyen se manifeste sous forme de phénomènes gravitationnels familiers, comme l’orbite de la Terre
- Les deux modèles reproduisent la forme de la gravité newtonienne en inverse du carré de la distance au moyen d’un réseau de qubits et de qubits sans position définie, mais Carney précise lui-même qu’il s’agit davantage d’une preuve de principe que d’un modèle réaliste de l’Univers
- Les sceptiques reprochent à ce modèle de ne pas traiter la courbure de l’espace-temps de la relativité générale, la particularité de la chute libre ni les régimes de gravité forte comme les trous noirs
- Des expériences cherchant, dans des champs gravitationnels faibles, des fluctuations statistiques ou un effondrement de la fonction d’onde dû à la superposition quantique de corps massifs pourraient constituer un véritable banc d’essai pour cette hypothèse
Une vieille tentative de voir la gravité comme un effet collectif
- Même après avoir publié en 1687 la loi de la gravitation universelle, Newton n’était pas entièrement satisfait de la manière dont deux corps pouvaient s’attirer à distance
- À l’époque, des modèles mécaniques proposaient de voir la gravité non comme une attraction, mais comme un effet de poussée
- Des particules invisibles frapperaient les objets depuis toutes les directions, et entre deux objets, l’absorption de ces particules produirait une force nette les rapprochant l’un de l’autre
- Ces théories n’ont pas fonctionné, et Einstein a proposé la relativité générale, qui explique la gravité comme une déformation de l’espace et du temps
- Mais la relativité générale est difficile à considérer comme une théorie finale, si bien que les tentatives de comprendre la gravité comme le résultat d’un comportement collectif à une échelle plus microscopique se poursuivent
L’idée de base de la gravité entropique
- L’équipe du Lawrence Berkeley National Laboratory dirigée par Carney a proposé, au début de l’année, dans un nouvel article, une approche proche d’une version moderne des modèles mécaniques du XVIIe siècle
- L’hypothèse centrale est qu’un « gaz ou système thermique » invisible interagit aléatoirement avec la masse et qu’en moyenne émergent des phénomènes gravitationnels familiers, comme la Terre tournant autour du Soleil
- Cette approche est appelée gravité entropique (entropic gravity) et interprète une physique plus profonde comme une physique de la chaleur
- Le tremblement et le brassage aléatoires des particules qui gouvernent les machines à vapeur, les moteurs de voiture et les réfrigérateurs
- L’entropie qui en résulte, c’est-à-dire l’augmentation du désordre
- L’idée est que ces processus donnent naissance à la gravité
- La gravité entropique est revenue régulièrement depuis des décennies, mais reste une opinion minoritaire
- Ce modèle se distingue par le fait qu’il propose une possibilité expérimentale, chose rare pour une théorie portant sur l’origine de l’attraction universelle
L’étrange point de contact entre relativité générale et thermodynamique
- La relativité générale prédit qu’une étoile peut s’effondrer en trou noir, mais au centre d’un trou noir la gravité devient infiniment forte et la théorie ne peut plus dire ce qui se passe ensuite
- Bien que la notion de chaleur n’ait pas fait partie de son développement, la relativité générale possède des propriétés qui ressemblent à la thermodynamique
- Les trous noirs ne font que grandir, ils ne rétrécissent pas
- Ils avalent, mais ne recrachent pas
- Cette irréversibilité ressemble au flux de chaleur
- Lorsqu’on étudie avec la mécanique quantique l’espace-temps déformé autour d’un trou noir, celui-ci émet de l’énergie comme un objet chaud
- Si la chaleur est le mouvement aléatoire de particules, ces effets thermiques suggèrent que les trous noirs et le continuum d’espace-temps pourraient être constitués de certaines particules ou de composants microscopiques
L’article de Jacobson de 1995 et les approches antérieures
- À partir des indices fournis par les trous noirs, les physiciens ont étudié de diverses manières comment l’espace-temps pourrait émerger de composants plus microscopiques
- Une approche représentative, le principe holographique, compare l’apparition de l’espace-temps à un hologramme ordinaire
- De la même façon que des motifs ondulés sur une surface plane créent une impression de profondeur, des motifs formés par les composants microscopiques de l’Univers pourraient créer une autre dimension spatiale
- Si cette nouvelle dimension est courbée, la gravité apparaît naturellement
- Ted Jacobson, de l’University of Maryland, a introduit la gravité entropique dans un article de 1995
- Alors que les travaux antérieurs tiraient de la théorie d’Einstein des résultats ressemblant à la chaleur, Jacobson a fait l’inverse : il a supposé des propriétés thermiques de l’espace-temps et en a déduit les équations de la relativité générale
- Pour Carney, ce résultat indique que le parallèle entre gravité et chaleur est important
Premier modèle de l’équipe de Carney : un réseau de qubits
- Carney, Manthos Karydas, Thilo Scharnhorst, Roshni Singh et Jacob Taylor ont proposé deux modèles montrant comment une attraction gravitationnelle pourrait émerger de composants microscopiques
- Dans le premier modèle, l’espace est rempli d’un réseau cristallin de particules quantiques, ou qubits
- Chaque qubit possède une orientation, comme l’aiguille d’une boussole
- Lorsqu’un objet massif est à proximité, les qubits alentour s’alignent sur cet objet
- Un objet massif crée, dans un réseau de qubits initialement orientés au hasard, une zone de fort ordre
- Si l’on place deux masses dans le réseau, deux zones fortement ordonnées apparaissent également ; un ordre élevé correspond à une faible entropie
- Comme le système tend à maximiser l’entropie, un effet apparaît qui pousse les deux masses l’une vers l’autre afin de réduire la taille des zones ordonnées
- En apparence, les deux masses semblent s’attirer par gravité, mais l’action réelle est assurée par les qubits
- Cette attraction apparente diminue, comme dans la loi de Newton, en proportion de l’inverse du carré de la distance entre les deux masses
Deuxième modèle : des qubits sans position définie
- Le deuxième modèle supprime le réseau
- Les objets massifs restent dans l’espace et subissent l’action des qubits, mais les qubits n’occupent pas de position précise et peuvent être très éloignés
- Cette caractéristique vise à intégrer la non-localité de la gravité newtonienne
- La propriété selon laquelle tous les objets de l’Univers agissent dans une certaine mesure sur tous les autres
- Chaque qubit peut stocker de l’énergie, et la quantité stockée varie selon la distance entre les masses
- Lorsque les masses sont éloignées, la capacité énergétique d’un qubit augmente, de sorte que toute l’énergie peut tenir dans quelques qubits
- Lorsque les masses se rapprochent, la capacité énergétique d’un qubit diminue, et l’énergie totale doit se répartir sur davantage de qubits
- Une situation où l’énergie est répartie sur davantage de qubits correspond à une entropie plus élevée ; le système pousse donc les masses à se rapprocher, conformément à la gravité newtonienne
Limites du modèle et scepticisme
- Carney avertit que les deux modèles sont ad hoc
- Il n’existe aucune preuve indépendante de l’existence de tels qubits
- Il a fallu ajuster finement l’intensité et la direction des forces exercées par les qubits
- Il n’est pas certain que ce soit mieux que de considérer la gravité comme fondamentale
- Ces modèles ne reproduisent que la loi de la gravité de Newton, et non l’ensemble de la théorie d’Einstein, qui identifie la gravité à la courbure de l’espace-temps
- Pour Carney, ces modèles ne sont pas des représentations réalistes du fonctionnement réel de l’Univers, mais plutôt des preuves de principe montrant qu’un comportement collectif peut expliquer l’attraction gravitationnelle
- Mark Van Raamsdonk, de l’University of British Columbia, doute même que ces modèles constituent des preuves de principe
- Chercheur en holographie, il estime que les nouveaux modèles entropiques ne possèdent pas certaines propriétés particulières de la gravité, comme le fait de ne pas sentir la gravité en chute libre
- Pour Ramy Brustein, de Ben-Gurion University, le véritable défi de la physique gravitationnelle concerne les régimes à fort couplage et à champ fort, comme les trous noirs ; ce modèle entropique ne dit rien de ces régimes
Des signaux à chercher dans les champs gravitationnels faibles
- Les partisans de la gravité entropique estiment que les physiciens ne devraient pas être trop sûrs de la manière dont la gravité fonctionne en régime faible
- Si la gravité est un effet collectif de qubits, la loi de force de Newton correspond à une moyenne statistique
- Les effets instantanés pourraient fluctuer autour de cette moyenne
- Erik Verlinde, de l’University of Amsterdam, estime que ces fluctuations pourraient devenir observables, et qu’il faut donc aller vers des champs extrêmement faibles
- Verlinde a défendu la gravité entropique dans un article de 2010 et a continué depuis à développer cette idée
Vers des expériences sur la superposition quantique et l’effondrement
- Carney estime que le principal avantage du nouveau modèle est de poser des questions conceptuelles sur la gravité et d’ouvrir de nouvelles pistes expérimentales
- Si un objet massif se trouve dans un état de superposition quantique, c’est-à-dire à deux positions, la question se pose de savoir si son champ gravitationnel est lui aussi superposé et attire un objet en chute dans deux directions
- Le nouveau modèle de gravité entropique prédit que les qubits agissent sur l’objet massif et le font sortir d’un état de superposition à la Schrödinger
- Ce scénario est lié au problème de l’effondrement de la fonction d’onde
- Le problème de l’effondrement de la fonction d’onde demande pourquoi, lorsqu’un système quantique en superposition est mesuré, plusieurs états possibles deviennent un seul état défini
- Certains physiciens ont proposé que l’effondrement se produise en raison d’une aléa intrinsèque de l’Univers
- Ces modèles d’effondrement diffèrent dans les détails du modèle de Carney, mais peuvent produire des résultats expérimentaux similaires
- Ils prédisent qu’un système quantique isolé finit par s’effondrer de lui-même, même sans mesure ni influence extérieure
- Angelo Bassi, de l’University of Trieste, estime qu’un même dispositif expérimental pourrait en principe servir à tester les deux types de modèles
- Bassi a dirigé de telles expériences, et certains modèles d’effondrement ont déjà été exclus
Implications à long terme
- Van Raamsdonk reste sceptique, mais estime qu’il vaut la peine d’explorer d’autres mécanismes, car il n’est pas établi que la gravité réelle de notre Univers provienne de l’holographie
- Si cette hypothèse audacieuse est correcte, la gravité pourrait être moins une loi qu’une tendance statistique
1 commentaires
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Je vois la gravité entropique comme quelque chose de similaire à « l’effet noix du Brésil » [0] [1]. C’est le phénomène par lequel, lorsqu’on secoue un gobelet contenant des fruits à coque de tailles différentes, les plus gros remontent à la surface.
Si je comprends bien, les gros objets, ayant une masse plus élevée, se déplacent plus lentement quand on les secoue ; comme les noix du Brésil bougent moins que les cacahuètes, des interstices se créent sous elles à cause de la gravité, et les cacahuètes remplissent ces espaces.
Dans la gravité entropique, l’idée semble être qu’il existe une sorte de densité fondamentale de quelque chose — des particules ou des particules subatomiques, par exemple — qui frappe aléatoirement les objets dans toutes les directions. Quand deux objets de grande masse se rapprochent, la densité de la zone entre eux diminue ; comme les particules y entrent moins souvent en collision, ils s’attirent mutuellement. En quelque sorte, ils projettent une « ombre ».
Je ne suis pas physicien, mais quand j’avais regardé cela il y a longtemps, je me souviens qu’il existait une hypothèse sur la densité des particules qui « frappent » les objets massifs, et que cette densité était difficile à justifier. Si quelqu’un s’y connaît mieux, j’aimerais bien qu’il corrige ou explique.
Au passage, l’effet noix du Brésil se produit vraiment très bien. Pour récupérer des raisins secs, secouez des raisin bran ; pour trouver les cadeaux laissés par un chat, secouez sa litière. Ça marche étonnamment bien.
[0] https://en.wikipedia.org/wiki/Granular_convection
[1] https://www.youtube.com/watch?v=Incnv2CfGGM
Plusieurs mécanismes ont été proposés pour expliquer la gravité ; l’un d’eux suppose qu’il existe dans l’univers beaucoup de particules se déplaçant très vite dans toutes les directions, et qu’elles sont un peu absorbées lorsqu’elles traversent la matière. Si le Soleil est proche, une partie des particules qui passent par le Soleil avant d’atteindre la Terre est absorbée, il en arrive donc moins que depuis le côté opposé, et la Terre subit une force nette vers le Soleil. La loi en inverse du carré de la distance en découle aussi facilement.
Mais lorsque la Terre tourne autour du Soleil, elle devrait entrer davantage en collision avec les particules venant de sa direction de déplacement, subir une résistance à son mouvement et donc ralentir sur son orbite. Les calculs montrent qu’elle n’aurait pas pu tenir assez longtemps pour être encore en orbite aujourd’hui ; ce mécanisme ne fonctionne donc pas. L’idée est qu’on n’a encore jamais inventé de dispositif qui « explique » la gravité sans prédire d’autres phénomènes inexistants.
À basse vitesse, on obtient quelque chose qui ressemble à la gravité newtonienne, mais à haute vitesse apparaît un motif proche de la gravité MOND, avec amas de galaxies et grands vides, et la matière noire ne semble plus nécessaire.
https://www.youtube.com/watch?v=HKvc5yDhy_4
https://en.wikipedia.org/wiki/Rubber_band_experiment
« Étirer un élastique est une expansion isobare (A → B) qui augmente l’énergie mais diminue l’entropie. »
Dans la gravité entropique de Verlinde, il existe une interaction gravitationnelle qui ramène le lien entre deux masses à un état « moins étiré ». Plus deux objets sont proches, plus l’entropie est élevée par rapport au cas où ils sont éloignés, et une sorte de tension apparaît, attirant ensemble les objets séparés.
Dans l’approche de Carney et al., il existe une « pression médiée par un système microscopique entraîné par un extremum d’énergie libre », ce qui signifie que l’entropie est plus faible lorsque les objets sont éloignés que lorsqu’ils sont proches. Cette entropie provient d’un gaz ; la pression est plus faible quand les objets sont proches, plus élevée quand ils sont éloignés. Comme la pression est l’opposé d’une tension, à grands traits les deux théories de gravité entropique ont une structure comparable à une loi universelle de type loi de Newton : les objets se déplacent ensemble sous l’effet d’une force entropique.
Cette force entropique n’est pas fondamentale ; elle émerge, dans un cadre holographique — c’est-à-dire un cadre comportant plus de dimensions que 3+1 — du comportement statistique de degrés de liberté quantiques ou microscopiques. C’est une idée très théorie des cordes.
Cela dit, si la force entropique n’est pas strictement radiale, il est très difficile de la faire fonctionner, et il est également difficile de voir comment en faire émerger la relativité générale dans les domaines déjà bien vérifiés.
L’explication habituelle est plutôt que les secousses créent temporairement des espaces vides, et que les petits objets, pouvant tomber dans des interstices plus petits, ont plus de chances d’y entrer.
La gravité entropique est un cadre séduisant. J’imagine que beaucoup de physiciens aimeraient croire qu’une théorie du tout encore inconnue est microscopique et quantique, et que la gravité, globale et extrêmement faible, en émerge comme une sorte d’erreur comptable.
Mais ces théories embarquent tellement d’hypothèses implicites qu’il est difficile de les croire facilement lorsqu’elles disent : « voyez, les équations de champ d’Einstein ».
En revanche, j’ai du mal à accepter que la gravité en sorte comme une erreur comptable. Il est plus probable qu’elle corresponde à une autre étrange famille de bosons, comme les autres forces.
L’article dit aussi que la gravité entropique reste une position très minoritaire, mais qu’elle ne disparaît pas, et que même ses opposants hésitent à l’ignorer complètement.
En tant que physicien expérimental, j’essaie de ne pas m’enthousiasmer tant qu’une nouvelle théorie ne permet pas de trancher cette question par des phénomènes observables.
Si une théorie donne 10 prédictions et qu’elles sont toutes déjà connues, cela ressemble à du surapprentissage.
Je ne comprends pas.
Pour moi, l’entropie n’est pas une entité physique, mais une mesure de notre connaissance incomplète d’un système. Comme nous ne pouvons mesurer que les propriétés macroscopiques de la matière, je vois cela comme un nombre inventé pour quantifier à quel point ces propriétés macroscopiques décrivent imparfaitement le véritable état microscopique du système. Si l’on pouvait zoomer jusqu’au niveau microscopique, l’entropie me semblerait perdre son sens.
Je ne comprends donc pas comment la gravité ou d’autres interactions physiques fondamentales pourraient émerger de l’entropie. Je pense que ce n’est qu’un concept créé par l’humain.
L’entropie physique gouverne de véritables processus physiques. Un exemple simple est la raison pour laquelle la glace fond dans une pièce chaude ; un exemple plus subtil est la raison pour laquelle des câbles s’emmêlent avec le temps.
La mesure de l’entropie peut être vue comme une manière de résumer macroscopiquement l’état d’un système, comme une pièce chaude contenant de la glace ou un câble emmêlé, mais elle n’est pas identique au phénomène même qu’elle décrit.
L’entropie au sens de Boltzmann rend la deuxième loi assez intuitive. Comme il existe beaucoup plus de façons pour un système d’être dans un état désordonné que dans un état ordonné, il tend avec le temps vers une entropie plus élevée, et c’est pourquoi la glace fond dans une pièce chaude.
Cela dit, les forces entropiques ont bien une forme de « réalité ». On peut en effet les mesurer réellement en laboratoire. Si cela ne vous convainc pas, consultez https://en.wikipedia.org/wiki/Entropic_force, et en particulier https://en.wikipedia.org/wiki/Ideal_chain, l’exemple toujours utilisé quand on découvre ce sujet.
De ce point de vue, l’entropie n’est pas simplement quelque chose « d’inventé », mais une manière efficace de décrire des phénomènes observés. Elle est donc utile pour des lois physiques effectives, même si ce ne sont pas des lois fondamentales. D’ailleurs, la page Wikipédia qualifie elle aussi les forces entropiques de « phénomène émergent ».
Par conséquent, une personne raisonnable qui croit à la gravité entropique est automatiquement obligée de qualifier la gravité de phénomène émergent. Elle doit aussi conclure qu’il faut une nouvelle théorie fondamentale de la gravité qui « restaure » l’interprétation probabiliste de l’entropie.
Ce qui rend la gravité entropique intéressante et exotique, c’est que beaucoup d’autres recherches de théories fondamentales partent d’une quantification presque directe de la gravité, comme on quantifie la mécanique classique pour arriver à la mécanique quantique. La gravité entropique considère que c’est une mauvaise approche, de la même manière qu’on n’essaierait pas de quantifier directement la loi des gaz parfaits.
[0] En physique aussi, il n’y a pas d’entropie sans distribution de probabilité. Quelqu’un qui dit le contraire a probablement seulement appris la thermodynamique, pas la mécanique statistique, et est resté au XIXe siècle.
Il n’y a pas non plus besoin de faire intervenir nos connaissances. L’entropie est une mesure du nombre de micro-états possibles pour un système donné, et ce nombre existe indépendamment de nous.
Je crois depuis longtemps à la gravité entropique, et je pense qu’elle est due à la mousse quantique. Dans une région d’espace vide, la mousse quantique de cet espace serait totalement uniforme et aléatoire.
En présence de masse et d’énergie, l’état de l’espace devient biaisé et moins aléatoire. Cela crée un gradient d’entropie. Plus encore, cela expliquerait non seulement la gravité, mais aussi pourquoi l’espace entre les galaxies semble présenter une énergie négative et une expansion de l’espace.
Je me réjouis de voir davantage de travaux sur la gravité entropique, et je trouve que c’est une explication plus raisonnable que la plupart des autres théories de la gravité dont j’ai entendu parler.
Tout le monde sait que la vie sur Terre tire son énergie du Soleil
Mais c’est une explication approximative pour les enfants : en réalité, la vie reçoit du Soleil des photons à faible entropie, effectue un travail, puis émet de la chaleur perdue infrarouge à haute entropie. L’énergie est conservée et l’entropie augmente
Mais alors, d’où le Soleil tenait-il au départ ces photons à faible entropie ? De la gravité. Un espace vide et uniforme possède une faible entropie, et le Soleil l’a « pompée » lorsqu’il s’est formé
Je ne sais pas pourquoi c’est downvoté, mais c’est l’explication proposée par Roger Penrose, prix Nobel de physique : https://g.co/gemini/share/bd9a55da02b6
« Si l’énergie solaire qui atteint la Terre est de faible entropie, c’est parce qu’elle provient entièrement d’une zone du ciel de 0,5 degré de diamètre angulaire »
Une autre réponse dit : « La raison pour laquelle la lumière du Soleil est de faible entropie, c’est que le Soleil est très chaud. L’entropie est essentiellement une mesure de la dispersion de l’énergie. Si l’on compare deux systèmes ayant la même énergie thermique, celui où l’énergie est la plus concentrée — donc celui à plus faible entropie — est le plus chaud »
https://physics.stackexchange.com/questions/796434/why-does-...
Les deux sont sans doute justes dans une certaine mesure. En revanche, j’ai du mal à comprendre l’hypothèse selon laquelle le Soleil aurait pompé un espace vide et de faible entropie. Le Soleil ne s’est-il pas formé à partir de poussières et de gaz issus de l’explosion d’étoiles antérieures ? Autrement dit, cela semble presque être l’opposé d’une faible entropie
Ce que nous voyons comme des structures de « faible entropie », comme les étoiles, pourrait en fait être, à plus grande échelle, une structure uniforme de haute entropie ; c’est seulement parce que nous la regardons de près que nous en voyons la structure plus fine
Les photons venus du Soleil sont chauds, et l’espace autour du Soleil est froid, donc ce système a une faible entropie
Si l’espace autour du Soleil était aussi chaud que les photons, l’entropie serait élevée
L’idée que la gravité puisse être le résultat émergent de la façon dont l’information fonctionne dans l’Univers est intéressante. Cela dit, je n’ai pas l’impression qu’il existe encore de preuve claire que ce modèle prédise quelque chose de différent de la relativité générale
Pour l’instant, c’est l’une de ces théories amusantes à explorer, mais difficiles à accepter pleinement
La définition statistico-mécanique de l’entropie dépend du nombre d’agencements possibles des particules dans un système. Dans un système fermé, l’entropie tend vers l’équilibre, ce qui a été décrit de manière sensationnaliste comme la « mort thermique de l’Univers »
Mais comme nous savons que notre Univers est en expansion, le nombre d’agencements possibles augmente lui aussi ; l’entropie pourrait donc ne jamais atteindre l’équilibre. Si l’Univers s’étend plus vite que ses constituants ne se redistribuent, l’entropie pourrait même diminuer
En tenant compte de cela, une théorie qui inclut l’entropie comme composante de la gravité suggérerait que la gravité change avec le temps
Cet effet me fait penser aux interactions hydrophobes utilisées pour modéliser les systèmes biologiques. Par exemple, la tendance des résidus hydrophobes à se placer à l’intérieur des protéines
J’avais beaucoup aimé cet article lu il y a quelques années. Le domaine ne semble plus actif, mais le contenu reste une bonne introduction, et la plupart des liens externes fonctionnent encore
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