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Jacob Bekenstein, le découvreur de l'entropie des trous noirs, est mort

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Par Laurent Sacco, Futura

Le nom de Jacob Bekenstein n'est pas aussi célèbre que celui de Stephen Hawking. Pourtant, c'est lui qui révéla l'entropie des trous noirs conduisant Hawking à sa mémorable découverte de leur évaporation et du problème de l'information qui en découle. Il avait aussi produit des travaux notables sur une alternative à la matière noire.

Le physicien Jacob Bekenstein était l'élève de John Wheeler, à Princeton (États-Unis), lorsqu'il découvrit que les trous noirs devaient posséder une entropie. Depuis lors, il s'interrogeait sur la gravitation quantique. © Alain Riazuelo, IAP et Tiram Sasson

Jacob D. Bekenstein a marqué de façon déterminante la physique du XXe siècle en fournissant les clés qui ont ensuite permis d'ouvrir les portes de la physique du XXIe siècle. Son nom fait pour toujours partie de la grande saga du corps noir qui est encore loin d'être achevée et à laquelle Futura-Sciences a consacré un dossier complet il y a quelques années.

Il n'est probablement pas exagéré de dire qu'une bonne partie de la célébrité de Stephen Hawking, via ses travaux sur l'évaporation des trous noirs, prend racine dans l'œuvre de Bekenstein. Né au Mexique en 1947, il n'avait qu'une vingtaine d'années lorsqu'il débuta une thèse à Princeton (États-Unis) avec le légendaire John Wheeler. Cela le conduisit, au début des années 1970, à proposer une hypothèse ahurissante à plus d'un titre. L'hypothèse est la suivante : les trous noirs doivent avoir une entropie et celle-ci est reliée à l'aire de leur horizon des événements. Stephen Hawking a trouvé cette idée totalement stupide et il a entrepris de prouver qu'elle était complètement fausse.

L'entropie est une grandeur fondamentale en thermodynamique. Si les travaux de Boltzmann puis de Shannon ont relié cette grandeur à l'état de désordre d'un système physique et à l'information qu'il contient ou qu'il cache, l'entropie est avant tout, pour un thermodynamicien, une quantité reliée à une température. Or, qui dit température dit rayonnement ; ce qui voudrait dire qu'un trou noir doit émettre de la lumière en contradiction avec ce qu'en dit la théorie de la relativité générale.

Dans cette vidéo, Jean-Pierre Luminet nous parle de l'évaporation des trous noirs due au rayonnement de Hawking. Cette évaporation induit une énigme connue sous le nom de paradoxe de l'information avec la physique des trous noirs. © Du Big Bang au vivant

De l'évaporation au problème de l'information

À sa grande surprise, Hawking a finalement démontré que tel devait bien être le cas si les lois de la physique quantique étaient prises en compte. La formule dite de Hawking-Bekenstein (à laquelle Bekenstein a consacré une page dans Scholarpedia) nous donne aujourd'hui l'entropie associée à l'aire de l'horizon des événements des trous noirs. En approfondissant sa découverte du rayonnement des trous noirs et les conséquences des idées de Bekenstein, Hawking va découvrir le fameux problème de l'information dont l'un des derniers avatars est la polémique sur l'existence d'un pare-feu (firewall en anglais). Dans la foulée, Gerard 't Hooft et Leonard Susskind vont proposer l'existence du principe holographique en théorie de la gravitation quantique pour tenter de mieux comprendre la physique des trous noirs liée à l'information. Comme nous l'avons expliqué plus en détails dans plusieurs articles, le problème de l’information, le principe holographique et la polémique du firewall sont au cœur des recherches les plus profondes de la physique moderne.

Jacob Bekenstein ne s'est pas arrêté à ce coup de maître. Il a également beaucoup fait pour promouvoir les idées de l'un de ses collègues, israélien tout comme lui, Mordehai Milgrom. Celui-ci a proposé une alternative à l'hypothèse de la matière noire, baptisée Mond, qui fait intervenir des modifications de la théorie de la gravitation de Newton. Bekenstein en a donné une version relativiste compatible avec les principes de la relativité générale. Cette théorie, appelée TeVeS, semble cependant aujourd'hui défavorisée par les observations.

Jacob Bekenstein vient de nous quitter ce lundi 17 août 2015. Il y a quelques années, il avait proposé les principes d'une expérience destinée à observer l'existence de mini trous noirs apparaissant et disparaissant sans cesse dans le vide à partir de ses fluctuations quantiques.

Interview : un trou noir peut-il exploser ?  Un trou noir est un objet céleste difficile à observer directement. L’intensité de son champ gravitationnel est si intense qu’il empêche en théorie toute forme de matière ou de rayonnement de s’échapper. Peut-il exploser ? C'est la question que Futura-Sciences a posée à Aurélien Barrau, astrophysicien spécialisé en cosmologie et auteur du livre Des univers multiples. 

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