- Récemment, des physiciens théoriciens ont proposé un modèle qui considère la gravité comme le résultat d’interactions aléatoires entre particules microscopiques, autrement dit comme une conséquence de l’augmentation de l’entropie
- Ce modèle met l’accent sur la relation entre entropie et gravité et explore une approche alternative aux théories existantes de la gravité
- Le modèle de gravité entropique fournit des prédictions expérimentales vérifiables et suggère que la gravité réelle n’est pas une force fondamentale, mais un phénomène collectif
- Cependant, ce modèle n’explique que la loi de la gravitation de Newton et ne capture pas des propriétés plus profondes comme la courbure de l’espace-temps de la relativité générale
- Cette nouvelle théorie est également reliée à la superposition quantique, à l’effondrement de la fonction d’onde et à d’autres concepts, offrant des pistes pour la théorie de la gravité quantique et l’exploration de la nature de la gravité
Newton, Einstein et la réinterprétation de la gravité
- Isaac Newton était lui-même perplexe quant à la nature de la gravité, et plusieurs savants de son époque ont tenté de l’interpréter non comme une force qui « attire », mais comme une force qui « pousse »
- Albert Einstein a expliqué la gravité comme une déformation de l’espace et du temps, mais cela non plus ne constituait pas une explication complète
- L’idée que la gravité soit un phénomène émergent issu de l’effet collectif de particules microscopiques, autrement dit d’un « comportement d’essaim », continue d’intéresser de nombreux physiciens
Le retour contemporain de la théorie de la gravité entropique
- Récemment, une équipe de physiciens théoriciens comprenant Daniel Carney a proposé un modèle selon lequel il existerait dans l’univers un système thermique invisible capable d’expliquer tous les phénomènes gravitationnels que nous connaissons
- Cette approche est appelée « gravité entropique » et traite la gravité comme une physique de la chaleur
- La gravité entropique explique que la gravité est produite selon le même principe que l’augmentation de l’entropie causée par le mouvement aléatoire et le mélange des particules, comme on l’observe dans les chaudières, les moteurs automobiles ou les réfrigérateurs
Le lien entre relativité générale et entropie
- La relativité générale offre des prédictions élégantes et précises, mais elle atteint ses limites dans des singularités comme l’intérieur des trous noirs, où son pouvoir explicatif disparaît
- La relativité générale décrit aussi des phénomènes rappelant l’entropie : les trous noirs ne peuvent qu’augmenter et non diminuer, ils absorbent sans émettre
- Lorsqu’on les décrit avec la mécanique quantique, un rayonnement thermique (le rayonnement de Hawking) apparaît au niveau des trous noirs, ce qui suggère que les trous noirs, ou l’espace-temps lui-même, pourraient réellement être constitués de particules ou de composants microscopiques
Le principe holographique et l’approche de Jacobson
- Le principe holographique explique que les motifs créés par des particules microscopiques font émerger une dimension supplémentaire, d’où la gravité apparaît naturellement
- Ted Jacobson a déduit les équations de la relativité générale à partir de l’hypothèse selon laquelle l’espace-temps possède ses propres propriétés thermiques
- Cette approche souligne le lien profond entre gravité et chaleur
Les modèles concrets de Carney et de ses collègues
- Premier modèle : l’espace est constitué d’un réseau cristallin de particules quantiques (qubits), et un objet massif réorganise les qubits voisins pour former une région ordonnée (diminution de l’entropie)
- Plus deux masses se rapprochent, plus apparaît un effet d’attraction mutuelle visant à augmenter l’entropie de l’ensemble du système
- Cet effet s’affaiblit avec la distance exactement comme dans la loi de la gravitation de Newton
- Deuxième modèle : les qubits ne sont pas liés à une position donnée et influencent les masses de manière non locale
- Quand la distance entre deux masses varie, l’énergie que chaque qubit peut stocker change, ce qui fait en sorte que l’entropie du système augmente à mesure que les masses se rapprochent
Forces et limites
- Dans les deux modèles, il n’existe aucune preuve indépendante de l’existence réelle de ces qubits, et il faut ajuster finement l’intensité et la direction de la force
- Ils n’expliquent pas les caractéristiques essentielles de la gravité, comme la courbure de l’espace-temps propre à la relativité générale ou l’insensibilité à la gravité en chute libre
- Ils ne décrivent que le régime de gravité faible de Newton et manquent de pouvoir explicatif dans les régimes de forte gravité, comme les trous noirs
- Ces modèles restent au niveau d’une démonstration de principe et présentent des limites pour modéliser l’univers réel
Vérification expérimentale et portée
- Le plus grand atout de cette théorie est qu’elle fournit des prédictions vérifiables
- Par exemple, lorsqu’un objet massif se trouve dans un état de superposition quantique où il existe simultanément en deux positions, ce modèle prédit que les qubits provoqueront son effondrement
- Cela est lié au phénomène d’effondrement de la fonction d’onde, et des tentatives expérimentales sont actuellement en cours pour tester ce type de modèle d’effondrement
- Comme on n’a pas encore établi avec certitude si la gravité réelle émerge de manière holographique, la possibilité d’une origine entropique mérite elle aussi d’être étudiée
Conclusion et implications
- Bien que la théorie de la gravité entropique reste minoritaire, elle apporte de nouvelles directions expérimentales et de nouvelles questions pour comprendre la nature profonde de la gravité
- Si cette théorie est correcte, la gravité ne devrait plus être réinterprétée comme une loi, mais comme une tendance statistique
1 commentaires
Avis Hacker News
J’aimerais expliquer la gravité entropique avec une analogie proche de l’« effet noix du Brésil »
L’effet noix du Brésil, c’est le phénomène par lequel, si l’on met des noix de tailles variées dans un bocal en verre et qu’on le secoue, les plus grosses noix (les noix du Brésil) remontent vers le haut
On peut interpréter cela comme le fait que les grosses noix, plus lourdes, se déplacent plus lentement quand on secoue, tandis que les petites cacahuètes remplissent les espaces vides en dessous
Dans la théorie de la gravité entropique, on suppose une densité de base de particules frappant fortement un objet de manière aléatoire dans toutes les directions
Quand deux grandes masses se rapprochent, la densité de particules entre elles diminue, ce qui donne l’impression qu’elles s’attirent
L’idée est que les particules produisent une sorte d’effet d’ombre
Cela dit, je trouve difficile de rendre convaincante l’hypothèse sur la densité avec laquelle ces particules interagissent avec les gros objets
J’aimerais bien que quelqu’un de plus calé signale les erreurs éventuelles
L’effet noix du Brésil est un effet réellement observable
Si vous voulez faire remonter les raisins secs, secouez les céréales, et dans une litière pour chat, si on secoue, les « cadeaux » remontent aussi à la surface
Voir aussi cette explication Wikipédia sur la convection granulaire et cette vidéo YouTube
Je ne suis pas physicien non plus, mais cela m’a rappelé un passage des cours de Feynman lié à ce qui est décrit plus haut
Lien vers le texte original des cours de Feynman
En gros, il y explique l’une des nombreuses hypothèses proposées pour rendre compte de la gravité, en supposant que des particules se déplacent à très grande vitesse dans toutes les directions et ne sont absorbées qu’en petite partie
Ces particules frappent la Terre, et si c’est uniforme de partout, on a un équilibre
Mais quand le Soleil est proche, une partie des particules venant de cette direction est absorbée par le Soleil, donc il arrive moins de particules de ce côté
La Terre semble alors être tirée vers le Soleil, mais en réalité cette théorie ne tient pas
Si c’était vrai, la Terre recevrait davantage de particules de face quand elle orbite autour du Soleil, subirait une traînée et finirait vite par s’arrêter
Ce mécanisme ne permettrait donc pas de maintenir pendant longtemps une orbite comme celle de la Terre dans l’univers réel
Autrement dit, beaucoup de gens ont imaginé ce type de machine gravitationnelle, mais elle conduit forcément à des prédictions erronées, donc elle ne fonctionne pas
Cette vidéo explique mieux la physique granulaire
La vitesse de vibration (l’amplitude) montre que les particules peuvent s’organiser d’une façon inattendue
À faible vibration, cela se comporte de façon proche de la gravité newtonienne, mais à vibration plus rapide, on observe quelque chose qui ressemble davantage à la gravité MOND
Des galaxies et de grands vides peuvent aussi apparaître, et en théorie cela pourrait s’expliquer sans matière noire
Dans l’interprétation entropique, l’idée est qu’il existe X états probabilistiquement équivalents, et que si un ensemble plus grand d’états satisfait une certaine condition, alors l’état suivant a plus de chances d’aller dans cette direction
Par exemple, si l’on lance N pièces, il existe 2^N états possibles
Le cas où elles tombent toutes sur pile n’existe qu’en un seul exemplaire
En revanche, les combinaisons moitié pile, moitié face sont bien plus nombreuses, si bien que lorsque N devient grand, l’état « macroscopique » moyen où la moitié des pièces sont sur pile devient écrasant en nombre
L’entropie correspond à cette tendance naturelle du système à évoluer vers les « états macroscopiquement les plus nombreux »
J’ai un doute sur l’explication selon laquelle « les gros objets ont plus de masse et se déplacent donc plus lentement quand on secoue »
Si le gros objet bouge plus lentement, du point de vue de l’accélération du récipient, ne peut-on pas dire qu’il bouge en fait plus vite ?
L’explication courante, telle que je la comprends, est qu’en secouant on crée brièvement des espaces, et les petits objets ont davantage de chances de remplir ces petits interstices et de descendre
Les particules de plus grande masse ne sont-elles pas en réalité plus petites (au sens de la longueur d’onde de de Broglie) ? Dans ce cas, leur « ombre » ne serait-elle pas plus petite aussi ?
Je me demande s’il existe, dans d’autres interactions, une relation différente entre la « taille » d’une particule et sa masse, par exemple si, en gravitation, la taille d’une particule est proportionnelle à sa masse
Et au tout début de la QM (mécanique quantique), si la wavefunction décrit l’amplitude de probabilité de position quand on mesure avec des « photons », est-ce que l’interprétation de la « position » d’une particule changerait complètement si on la mesurait via une autre interaction, comme avec un boson Z ?
En mécanique statistique, la définition de l’entropie dépend du nombre d’arrangements possibles des particules dans un système
Dans un système fermé, l’entropie converge vers l’état d’équilibre, dramatiquement décrit comme la « mort thermique » (heat death)
Mais l’univers est en expansion, donc le nombre d’arrangements possibles (le nombre d’états) continue d’augmenter
Si la vitesse d’expansion de l’univers est supérieure à celle de la redistribution de ses constituants, l’entropie pourrait même diminuer
Dans cette perspective, une théorie où l’entropie joue un rôle central dans la gravité pourrait prédire que la gravité change avec le temps
Je trouve que la gravité entropique est un cadre séduisant
Beaucoup de physiciens aimeraient qu’une « théorie du tout » encore inconnue soit microscopique et quantique, et que la gravité, extrêmement faible, en émerge un peu comme une erreur de comptabilité
Mais ces théories reposent au fond sur tellement d’hypothèses qu’il est difficile d’être convaincu simplement parce qu’on dit « regardez, on a obtenu les équations d’Einstein »
Jacobson a montré qu’en combinant la thermodynamique et la relativité restreinte, on peut dériver la relativité générale, mais ces deux conditions sont déjà si générales qu’on se demande ce qu’il resterait à exiger de plus
Je serais curieux de savoir quelles hypothèses tu considères personnellement comme problématiques
Au niveau dont parle l’article, j’ai l’impression qu’on n’en est pas encore aux équations d’Einstein, mais plutôt à quelque chose du niveau de la gravité newtonienne classique
Je suis d’accord avec l’idée qu’« une théorie du tout encore inconnue prendra probablement une forme microscopique et quantique »
En revanche, pour ce qui est de « la gravité comme erreur comptable issue de la théorie », j’imagine plutôt une autre famille étrange de bosons, c’est-à-dire une forme particulaire
Extrait de l’article :
« La gravité entropique reste marginale, mais ce n’est pas une idée près de disparaître, et même ses critiques ne peuvent pas l’ignorer complètement »
Je suis physicien expérimental, donc avant de m’enthousiasmer pour une nouvelle théorie, j’ai besoin de vérifier qu’elle aboutit bien à des prédictions observables
C’est aussi pour cela que je suis sceptique vis-à-vis de théories comme celle de Wolfram
Même si elles expliquent de nombreuses théories existantes (relativité restreinte, une partie de la mécanique quantique, la gravité, etc.), si elles n’apportent ni nouvelles prédictions testables ni fondement plus profond, j’y vois de l’overfitting
Même si une théorie produit 10 prédictions conformes à la réalité, si elles sont toutes déjà connues, il est difficile d’y voir quelque chose de réellement nouveau
Ces théories emergent (émergentes) dérivent la gravité newtonienne ou la relativité générale, mais il n’est pas clair ce qu’on peut réellement tester expérimentalement
Si elles prédisaient MOND (Modified Newtonian Dynamics) sans introduire un champ MOND séparé, alors on pourrait enfin dire qu’elles sont falsifiables au niveau des tests de MOND
J’y pense parfois : si notre physique n’autorisait même pas l’existence des trous noirs, je me demande comment nous aurions mis la théorie à l’épreuve
Je pense que les trous noirs jouent pour la cosmologie un rôle important, un peu comme des « chandelles standard » pour le progrès théorique
Concrètement, tant qu’on n’a pas démontré une utilité pratique, il faut voir cela comme un agréable exercice de mathématiques
Entre deux modèles, j’affirme que celui dont la « longueur de description minimale » (MDL) est la plus courte a davantage de chances de mieux généraliser
Je pense que le magnétisme est proche de la gravité
Je défends cette idée depuis des années, et j’ai l’impression que la somme de champs magnétiques généralement désordonnés produit un très léger effet net d’attraction
Je ne comprends pas très bien
Pour moi, l’entropie n’est pas un phénomène physique réel, mais une mesure de notre imperfection quand nous ne connaissons pas parfaitement un système
Comme nous n’observons que les propriétés macroscopiques de la matière, nous avons fabriqué un indicateur qui ne représente pas fidèlement la réalité microscopique
Si nous pouvions connaître parfaitement le monde microscopique avec un microscope, la notion même d’entropie deviendrait inutile
C’est pourquoi je ne comprends pas qu’on dise que la gravité ou d’autres interactions fondamentales viennent de l’entropie
J’ai l’impression que l’entropie est un concept inventé par les humains
C’est un malentendu
L’entropie physique gouverne des phénomènes réels
Par exemple, elle explique pourquoi la glace fond dans une pièce chaude, ou pourquoi les câbles finissent par s’emmêler
Quand nous mesurons l’entropie, nous ne faisons que résumer des états macroscopiques comme de la glace dans une pièce ou des câbles emmêlés
L’entropie au sens de Boltzmann explique la tendance générale à l’augmentation de l’entropie parce que les configurations « désordonnées » sont écrasantes en nombre
C’est pour cela que la glace finit forcément par fondre
L’entropie, comme la température, est bien une « réalité » physique
Ce n’est pas parce qu’elle n’existe pas au niveau d’une particule unique qu’il faut la considérer comme non physique
L’entropie mesure le nombre de micro-états d’un système donné, et ce nombre existe indépendamment de l’observateur
Fondamentalement, l’entropie quantifie une « ignorance » du système quand on ne le connaît pas complètement
Malgré cela, on peut mesurer en laboratoire de véritables phénomènes de « force entropique » (entropic force)
Je recommande cette explication Wikipédia sur la force entropique et cet exemple de chaîne idéale (ideal chain)
Dans cette perspective, l’entropie n’est pas simplement une méthode de calcul inventée par l’humain : elle décrit efficacement des phénomènes observés, même si, en physique, c’est une loi pratique plutôt que fondamentale
Si l’on adhère à la gravité entropique, on soutient alors l’idée que la gravité est un « phénomène émergent », ce qui conduit à la conclusion qu’il faut une théorie plus fondamentale de la gravité
Les travaux existants tendent à vouloir quantifier directement la gravité, alors que la gravité entropique revient un peu à dire qu’il ne faut pas essayer de quantifier de force l’équation des gaz
J’ajouterais qu’une « entropie sans distribution de probabilité » ne peut pas exister. Affirmer brutalement que l’entropie est une « grandeur réelle » relève d’une vision du XIXe siècle
L’entropie utilisée en informatique n’est pas la même que l’entropie au sens de la physique
Je recommande cette conférence qui explique bien la différence
Moi aussi, je pensais autrefois que l’entropie relevait simplement des limites de notre connaissance, mais je crois désormais qu’en raison du principe d’incertitude de Heisenberg, il est fondamentalement impossible de connaître parfaitement les micro-états
Tous les événements sont fondamentalement irréversibles, et l’entropie augmente toujours
La perfection n’existe que dans la théorie
L’idée que la gravité puisse émerger de la manière dont l’information fonctionne est séduisante
Cela dit, je n’ai encore vu aucune preuve claire que ce modèle prédit des phénomènes différents de ceux de la relativité générale
Pour l’instant, c’est une théorie intéressante à discuter, mais difficile à accepter pleinement
Je me demande si cela est compatible avec le modèle de physique basé sur les hypergraphes de Wolfram
Dans ce cadre, la gravité pourrait émerger du comportement statistique de l’évolution de l’hypergraphe, et il serait peut-être possible d’interpréter la gravité comme une « force entropique » provenant de la tendance du système à minimiser sa complexité calculatoire
Présentation d’un cas intéressant de gravité émergente renard-trésor dans le jeu Skyrim
Article connexe
En résumé, dans les zones où se trouvent des trésors, les trajectoires aléatoires des renards présentent une « entropie » plus élevée, si bien que les renards finissent involontairement par aller plus facilement vers les trésors
Si c’est de la gravité entropique, n’est-ce pas plutôt similaire à la poussée d’Archimède (buoyancy) ?