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17 juillet 2026

Comment la théorie de la gravité et de l'entropie relie le second principe de la thermodynamique à l'émergence de la structure cosmique

Par Queen Mary, Université de Londres

Édité par Andrew Zinin

Notes de l'éditeur

The GIST

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Crédit : Unsplash/CC0 Domaine public

Une nouvelle étude de la professeure Ginestra Bianconi, mathématicienne à l'Université Queen Mary de Londres, propose une nouvelle perspective sur l'une des questions les plus profondes de la physique moderne : comment l'univers peut-il devenir de plus en plus structuré et complexe tout en obéissant au second principe de la thermodynamique ?

Einstein a déclaré que « le second principe de la thermodynamique occupe une place unique parmi les lois de la nature », reflétant sa conviction qu'il s'agit de l'un des principes les plus fondamentaux de la physique et qu'il est peu probable qu'il soit remis en cause. La deuxième loi de la thermodynamique stipule que l'entropie totale d'un système isolé tend à augmenter avec le temps, un principe souvent associé à la croissance du désordre.

Ceci constitue une énigme de longue date en cosmologie. On considère généralement que l'univers primordial existait dans un état de faible entropie et a évolué vers des états d'entropie plus élevée. Pourtant, au cours de l'histoire cosmique, l'univers a également donné naissance à des structures de plus en plus complexes, notamment les galaxies, les étoiles, les planètes et, finalement, la vie elle-même. Concilier l'émergence de telles structures ordonnées avec l'augmentation inexorable de l'entropie demeure un défi ouvert.

Dans un article récent publié dans Physical Review D, le professeur Bianconi étudie cette question dans le cadre de la théorie de la gravité à partir de l'entropie (GfE), une approche de la gravité quantique qui déduit la gravité des degrés de liberté microscopiques de la géométrie de l'espace-temps en utilisant les principes de la mécanique statistique.

Dans cette étude, en explorant les propriétés thermodynamiques de la théorie de la gravité issue de l'entropie, elle démontre que si l'entropie totale de l'univers augmente avec le temps, l'entropie par unité de volume diminue, ouvrant ainsi la voie à de nouvelles interprétations de l'émergence des structures locales.

Le lien entre gravité et thermodynamique est connu depuis les travaux pionniers de Jacob Bekenstein et Stephen Hawking dans les années 1970, qui ont établi que les trous noirs possèdent une entropie et émettent un rayonnement thermique. Ces découvertes ont suggéré une relation profonde entre l'espace-temps, l'information et la thermodynamique.

La théorie de la gravité issue de l'entropie (GfE) propose que la gravité émerge de la tension informationnelle entre la métrique de l'espace-temps véritable et la métrique induite par les champs de matière et la courbure. Cette nouvelle interprétation physique de la gravité se reflète dans le lagrangien de la GfE, qui est donné par l'entropie relative géométrique quantique (ERGQ) entre ces deux métriques. Les équations de la gravité GfE se réduisent à la relativité générale pour les basses énergies et les faibles courbures, mais au-delà de la limite faible, elles s'en écartent. Fait intéressant, au-delà de cette limite, les équations GfE font apparaître un terme d'énergie sombre dynamique qui pourrait permettre de vérifier les prédictions de la théorie.

Cette étude explore les propriétés thermodynamiques de la théorie GfE dans les espaces-temps cosmologiques de Friedmann-Robertson-Walker. Les résultats montrent que les degrés de liberté géométriques locaux satisfont un premier principe de la thermodynamique, dans lequel la contribution émergente de l'énergie sombre dynamique peut être interprétée comme une énergie interne, tandis que l'entropie relative géométrique quantique (ERGQ) peut être identifiée à l'entropie locale par unité de volume. Dans ce cadre, des quantités de température et de pression effectives émergent également naturellement. Ensemble, ces résultats suggèrent que l'état quantique sous-jacent à la théorie GfE pourrait posséder une nature thermique intrinsèque.

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L'étude met également en lumière le rôle fondamental de l'élément de volume local défini par la mesure induite par la métrique physique. À mesure que l'univers se dilate, ce volume croît. Dans le cadre de la théorie GfE, cette expansion entraîne une augmentation de l'entropie totale, tandis que l'entropie quantique de relativité générale (QGRE) locale par unité de volume diminue. Ce résultat révèle un comportement thermodynamique particulier de la théorie GfE.

En résumé, ce travail suggère que la gravité et l'espace-temps pourraient avoir une nature thermodynamique et informationnelle intrinsèque. Ceci ouvre de nouvelles perspectives pour comprendre les liens profonds entre la gravité, la théorie quantique et l'émergence de la complexité dans l'univers.

Bien qu'encore à un stade théorique préliminaire, les auteurs affirment que ces travaux pourraient contribuer à combler des lacunes persistantes entre la relativité générale, la thermodynamique, la mécanique quantique et la cosmologie. Ainsi, « ces travaux révèlent comment la théorie de la gravité à partir de l'entropie peut aborder la question complexe de la conciliation du second principe de la thermodynamique avec l'émergence de… »

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RESUME

La théorie de la « gravité issue de l'entropie » relie le second principe de la thermodynamique à l'émergence des structures cosmiques

Le modèle de « gravité issue de l'entropie » (GfE) considère la gravité comme une propriété émergente résultant de l'entropie relative géométrique quantique (QGRE) entre la métrique physique et la métrique induite par la matière. Dans les espaces-temps de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker, la GfE conduit à des lois thermodynamiques où l'énergie noire dynamique joue le rôle d'énergie interne et la QGRE celui de densité d'entropie. À mesure que le volume cosmique augmente, l'entropie totale croît tandis que l'entropie par unité de volume diminue, permettant ainsi la formation de structures sans violer le second principe de la thermodynamique.

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COMMENTAIRES

Voici lorine de l article:Détails de la publication

Ginestra Bianconi, Thermodynamics of the gravity from entropy theory, Physical Review D (2026). DOI : 10.1103/26kn-thgp

Informations sur la revue : Physical Review D

J'ignore  dans quel contexte  elle a voulu relier gravité et second principe de la thermodynamique  et ce qui l'a conduit a proposé  ces conclusions 

 je rappelle a mes élèves  ce que dit lez second princip : « Toute transformation d'un système thermodynamique s'effectue avec augmentation de l'entropie globale incluant l'entropie du système et du milieu extérieur. On dit alors qu'il y a création d'entropie. »

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Dans ma theorie  des'' bulles d univers  ''l espace est infini et les bulles  en évolution  permanente