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Du corps noir aux trous noirs

Corps noir et trous noirs, étonnamment, la relation entre les deux est aussi proche que le suggère leurs dénominations, et ce, d'une façon qu'aucun de ceux qui ont forgé ces dénominations ne pouvait le prévoir. Mais que recouvre donc ce mot énigmatique, le corps noir, et pourquoi occupe-t-il une position centrale dans la physique du siècle dernier et dans celle en train de naître de nos jours ? Tenter d'y répondre est l'objet de ce dossier.

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« Pourquoi lorsqu’on chauffe un objet, celui-ci émet-il de la lumière ? Pourquoi la couleur de la lumière émise change-t-elle avec la température ? ». Ces questions paraissent simples et insignifiantes si on les compare aux grandes et éternelles questions comme « Qu’est-ce que la matière, l’espace, le temps ? D’où vient l’Univers et où va-t-il ? » Et pourtant, c’est en découvrant les réponses aux deux premières questions que les physiciens se sont dotés des outils conceptuels et mathématiques leur ayant permis de faire des progrès spectaculaires, tout au long du XX ième siècle, dans la résolution des énigmes que se posent l’esprit humain depuis des millénaires.

Le corps noir le plus parfait de l'Univers, le rayonnement fossile vu par COBE. Les différences de couleurs indiquent d'infimes différences de température dans ce rayonnement sur la sphère céleste (Crédit : NASA).
Le corps noir le plus parfait de l'Univers, le rayonnement fossile vu par COBE. Les différences de couleurs indiquent d'infimes différences de température dans ce rayonnement sur la sphère céleste (Crédit : NASA).

Le dossier qui va suivre est un voyage fascinant, mais complexe, à travers presque toute la physique et la cosmologie de la fin du XIXième siècle au début du XXIième. Bien sûr, il n’a pas l’ambition de traiter complètement ces sujets, une bibliothèque complète serait nécessaire pour cela. Il s’agit juste d’une esquisse du paysage de la physique théorique qui a émergé à partir de ce qu’on appelle, par tradition, le problème du corps noir et qui consiste précisément à comprendre et décrire mathématiquement ce qui se passe quand un morceau de fer chauffé passe de la couleur rouge à la couleur blanche, en émettant une quantité de lumière de plus en plus importante.

A gauche Max Planck et à droite Albert Einstein.
A gauche Max Planck et à droite Albert Einstein.

Le problème du corps noir a défié les plus grands esprits, de Kirchhoff à Hawking en passant par Planck et Einstein, et, par des bien des côtés, il continue aujourd’hui à le faire avec des théoriciens du calibre de ‘t Hooft et Susskind. Comme le lecteur le découvrira dans ce dossier, il est profondément à l’origine de la théorie quantique, clé du monde des particules élémentaires et de l’atome, et on le retrouve à l’échelle de l’Univers entier avec le rayonnement fossile laissé par la "création" de l’Univers observable. Mais plus important encore peut-être, il se révèle incontournable lorsque l’on cherche à comprendre ce qu’il advient de la matière, de l’espace, du temps, et surtout de l’information, lorsqu’une étoile de plusieurs dizaines de masses solaires explose en supernova et que son cœur s’effondre gravitationnellement pour donner un trou noir.

Stephen Hawking (Crédit : GrayWizard.net)
Stephen Hawking (Crédit : GrayWizard.net)

Comment lire ce dossier

  • Ce dossier contient plusieurs niveaux de lectures. Certaines parties sont très techniques mais elles ne font que donner un aperçu de la machinerie conceptuelle et mathématique derrière certaines notions. On peut passer dessus en première lecture et elles ne doivent surtout pas effrayer le lecteur. En outre, elles ne prétendent pas à la rigueur, par contre, autant que possible, des liens existent vers la littérature spécialisée. Celle-ci est indispensable et doit servir de référence à qui voudrait vraiment étudier et maîtriser les notions abordées dans le dossier. Dans le cas contraire, le lecteur n’aurait qu’une vue simplifiée, et pouvant être trompeuse, de celles-ci s’il s’en tenait au pied de la lettre à ce qui n’a juste été qu’esquissé et particularisé pour les besoins de l’exposition. On espère quand même avoir isolé le fil conducteur, le système circulatoire de la saga du corps noir et avoir fourni un guide et un outil de travail pour toute personne curieuse d’explorer une partie de l’image de l’Univers qu’a fournie la physique théorique du XX ième siècle.
  • Un résumé du texte principal se trouve en fin de dossier. Il contient les idées et les formules essentielles à retenir ainsi que le regroupement des liens importants du dossier.

Remerciements :

L'auteur de l'article tient à remercier vivement Loïc Villain et Richard Taillet pour leurs lectures de ce dossier. Comme d'habitude, s'il devait rester des erreurs et des obscurités, elles ne sauraient être que les miennes.

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