Mort thermique de l’univers

La deuxième loi (début) de la thermodynamique stipule que l’énergie interne de la chaleur (chaleur) ne peut pas être transférée indépendamment d’un objet moins chauffé à un objet plus chauffé.

L’émergence de la théorie au 19e siècle

En vertu de la deuxième loi de la thermodynamique, tout système physique qui n’échange pas d’énergie avec d’autres systèmes tend vers l’état d’équilibre le plus probable, c’est-à-dire l’état présentant l’entropie la plus élevée (une quantité caractérisant le degré de désordre et l’état thermique d’un système physique). Cette loi a été décrite pour la première fois par Sadi Carnot en 1824. En conséquence, dès 1852, William Kelvin a proposé une hypothèse concernant la future «mort thermique de la Terre» au cours du processus de refroidissement de notre planète jusqu’à ce qu’elle devienne inanimée. En 1865, Rudolf Clausius a étendu cette hypothèse à l’ensemble de l’univers.

En 1872, le physicien autrichien Ludwig Boltzmann a tenté de quantifier l’entropie à l’aide de la formule S = k * ln W (où S est l’entropie, k est la constante de Boltzmann, W est le nombre de micro-états réalisant un macro-état. Un micro-état est l’état d’un composant séparé du système, et un macro-état est l’état du système dans son ensemble.

L’entropie en toute clarté

Actuellement, l’entropie de la partie visible de notre univers est estimée à environ 1088 ou 10 octovigintillions. Cette valeur correspond à peu près au nombre de photons dans notre univers. À titre de comparaison, le nombre de photons dans l’univers est environ un milliard de fois supérieur au nombre de baryons (parties élémentaires ordinaires composées de plusieurs quarks — protons, neutrons, etc.)

Développement de la théorie au 20e siècle

La découverte de l’expansion de l’Univers au 20e siècle a renforcé l’hypothèse d’une future «mort thermique de l’Univers». Les observations astronomiques des parties les plus éloignées de l’Univers observable ont montré que notre Univers, à l’échelle de plusieurs centaines de mégaparsecs, présente un aspect cellulaire désordonné, dans lequel des superamas de galaxies alternent avec d’immenses vides.

Structure à grande échelle de l’Univers

La découverte du rayonnement relique — rayonnement thermique de l’Univers, apparu lors de la recombinaison (combinaison de protons et d’électrons en atomes) de l’hydrogène primaire, qui s’est produite après 379 000 ans, a constitué une preuve encore plus convaincante de la validité de l’hypothèse. Le processus de recombinaison se produit à des températures de 3 000 kelvins, alors que la température actuelle du rayonnement relique, déterminée par son maximum, n’est que de 2,7 kelvins. L’étude du rayonnement relique a montré qu’il est isotrope (homogène) pour toute direction dans le ciel à un niveau de 99,999%.

Un modèle clair de l’Univers

Les observations astronomiques nous permettent de construire le «diagramme de Madau», qui montre la dépendance du taux de formation d’étoiles par rapport à l’âge de l’Univers.

L’étude des statistiques des quasars (noyaux de galaxies actives) nous permet d’estimer indépendamment le taux de formation d’étoiles. L’étude 2DF, menée de 1997 à 2002 sur le télescope australien AAT, a permis d’étudier environ 10 000 quasars sur une surface de ciel de 1,5 millier de degrés carrés dans les régions des deux pôles galactiques.

Une autre preuve de la véracité de la théorie de la future «mort thermique de l’univers» a été apportée par la recherche en physique nucléaire, qui a montré que l’énergie de liaison des nucléons (protons et neutrons) dans le noyau augmente à mesure que leur nombre augmente dans le noyau de la plupart des éléments chimiques.

La conséquence de cette dépendance est que les réactions de fusion thermonucléaire impliquant des éléments chimiques plus légers (par exemple, l’hydrogène et l’hélium) conduisent à la libération de beaucoup plus d’énergie à l’intérieur des étoiles que les réactions thermonucléaires impliquant des éléments chimiques plus lourds. En outre, des études théoriques menées à la fin du 20e siècle ont suggéré que les trous noirs ne sont pas éternels, mais qu’ils s’évaporent progressivement sous l’influence du «rayonnement de Hawking» (rayonnement hypothétique du trou noir, qui est principalement composé de photons).

Arguments contre l’hypothèse de la «mort thermique» de l’Univers

Illustration de la théorie du Big Bang de l’Univers

Les doutes quant à la justesse de l’hypothèse d’une inévitable «mort thermique de l’Univers» dans le futur peuvent être divisés en plusieurs points (voir l’illustration de la théorie du Big Bang de l’Univers).

Il n’est pas certain que l’on puisse prédire l’évolution future du volume de notre univers. Il existe à la fois la théorie de la grande explosion de l’univers (expansion accélérée de l’univers jusqu’à l’infini) et la théorie de la grande contraction de l’univers (l’univers commencera à rétrécir à l’avenir). L’incertitude entre ces options est due aux récentes découvertes de mystérieuses matières et énergies noires.

Illustration de la théorie d’un cycle infini de compression et d’expansion de l’Univers

Il existe une incertitude quant au nombre d’univers existants et à la possibilité de communication entre eux. D’une part, le paradoxe photométrique (paradoxe de Schezo-Olbers) du ciel noir témoigne de la finitude de la taille et de l’âge de notre univers, ainsi que de l’absence de connexion avec d’autres univers.

Faible compréhension moderne de l’influence de la matière et de l’énergie sombres sur l’évolution de l’Univers

D’autre part, le principe de médiocrité (principe de Copernic) implique que notre univers n’est pas unique et qu’il doit exister un nombre infini d’autres univers dotés d’un ensemble différent de constantes physiques. En outre, la physique moderne admet l’existence de tunnels spatio-temporels (trous de taupe) entre différents univers.

Lors du refroidissement de la matière ordinaire (passage à l’état solide), son entropie n’augmente pas, mais au contraire diminue :

L’entropie à l’exemple de l’eau

Les points clés de la théorie de la «mort thermique» de l’Univers sont la possibilité de la désintégration des protons et l’existence du «rayonnement de Hawking», mais ces phénomènes hypothétiques n’ont pas encore été prouvés expérimentalement.

La question de l’influence de la vie et de l’esprit sur la dynamique de l’entropie de l’Univers est très incertaine. En ce qui concerne l’effet des formes de vie non intelligentes sur l’entropie de l’univers, il ne fait guère de doute que la vie réduit l’entropie. Pour preuve, la nature plus complexe des organismes vivants par rapport à n’importe quelle substance chimique inorganique. La surface de notre planète, grâce à la biosphère, est beaucoup plus diversifiée que la surface «morte» de la Lune, de Mars ou de Vénus. En outre, on a observé que les organismes vivants protozoaires enrichissent l’atmosphère terrestre en oxygène (oxygène biogénique) et génèrent de riches dépôts minéraux (biogénèse).

Comparaison de la surface de Vénus, de la Terre, de la Lune, de Mars et de Titan (de gauche à droite)

En même temps, la question de savoir si la vie intelligente (c’est-à-dire l’homme) augmente ou diminue l’entropie de l’univers reste sans réponse. D’une part, le cerveau humain est la forme la plus complexe connue parmi les organismes vivants, et d’autre part, les progrès scientifiques et technologiques ont permis aux hommes d’atteindre des sommets sans précédent en matière de connaissance et de construction, y compris la synthèse d’éléments chimiques et de particules élémentaires qui ne sont pas observés dans la nature. La civilisation humaine moderne est capable de prévenir les grandes catastrophes naturelles (incendies de forêt, inondations, épidémies de masse, etc.) et se rapproche de la possibilité de prévenir les catastrophes à l’échelle planétaire (chute de petits astéroïdes et de comètes).

Photo nocturne de la surface de la Terre vue de l’espace

D’autre part, la civilisation humaine est également marquée par des tendances «entropiques». La puissance destructrice des arsenaux d’armes s’accroît en même temps que le nombre croissant d’industries chimiques et nucléaires dangereuses, l’industrie minière est capable de dévaster en quelques décennies des gisements de minéraux accumulés sur la planète depuis plusieurs centaines de millions d’années. Le développement de l’agriculture a déboisé une grande partie de la surface de la planète et contribue à la dégradation et à l’enchevêtrement des sols. Le braconnage, les émissions de gaz à effet de serre (acidification possible des océans), etc. réduisent rapidement la biodiversité de notre planète, ce qui amène les écologistes à parler d’une nouvelle extinction de masse. En outre, au cours des dernières décennies, on a constaté une forte baisse du taux de natalité dans les pays les plus développés, et il n’est pas exclu que cette situation démographique soit devenue la conséquence d’une complication prohibitive de la vie quotidienne de la civilisation humaine.

La mort thermique de la Terre

En relation avec toutes ces tendances, l’avenir proche de la civilisation humaine présente un nombre considérable d’options possibles : de l’image épique de la colonisation spatiale de toute la galaxie avec la construction de sphères de Dyson, l’épanouissement de l’intelligence artificielle et l’établissement de contacts avec des civilisations extraterrestres, jusqu’à un retour à l’éternel Moyen-Âge sur une planète aux ressources minérales et biologiques minées. Le paradoxe de Fermi (le Grand Silence de l’Univers) ajoute encore plus d’incertitude à la question de l’influence de la vie et de l’intelligence sur la dynamique entropique de l’Univers, car il existe une vaste gamme d’explications : de la grande rareté des biosphères et des civilisations intelligentes dans l’Univers à l’hypothèse selon laquelle notre Terre est une sorte de «réserve» ou de «matrice» dans le monde des supercivilisations intelligentes.

La vision actuelle de la «mort thermique» de l’Univers

À l’heure actuelle, les physiciens envisagent la séquence suivante pour l’évolution de l’Univers dans le futur, à condition qu’il continue à s’étendre au rythme actuel :

• 1-100 trillions (1012) d’années — achèvement des processus de formation d’étoiles dans l’Univers et extinction des naines rouges les plus récentes. Après cela, il ne restera dans l’Univers que des vestiges stellaires : trous noirs, étoiles à neutrons et naines blanches.
• 1 quadrillion (1015) d’années — toutes les planètes quitteront leur orbite autour des étoiles en raison des perturbations gravitationnelles dues au passage rapproché d’autres étoiles.
• 10-100 quintillions (1018) d’années — toutes les planètes, naines brunes et restes stellaires quitteront leur galaxie en raison des perturbations gravitationnelles constantes qu’ils subiront les uns des autres.
• 100 quintillions (1018) d’années — le temps approximatif nécessaire à la Terre pour tomber dans le Soleil sous l’effet du rayonnement des ondes gravitationnelles, dans le cas où la Terre aurait survécu au stade de géante rouge et serait restée sur son orbite.
• 2 anvigintillions (1066) années — le temps approximatif de l’évaporation complète d’un trou noir de la masse du Soleil.
• 17 septdécillions (10105) d’années est la durée approximative de l’évaporation complète d’un trou noir d’une masse de 10 billions de masses solaires. C’est la fin de l’ère des trous noirs.

L’avenir de l’univers se décompose alors en deux options possibles selon que le proton est une particule élémentaire stable ou non :

• A) Le proton est une particule élémentaire instable ;
• A1) 10 décillions (1033) d’années est la demi-vie la plus courte possible du proton selon les expériences des physiciens nucléaires sur Terre ;
• A2) 2 undecillion (1036) ans est le temps de désintégration le plus court possible de tous les protons dans l’Univers ;
• A3) 100 dodécillions (1039) d’années est la plus longue demi-vie possible pour la désintégration des protons, ce qui découle de l’hypothèse selon laquelle le Big Bang est expliqué par les théories cosmologiques inflationnistes et que la désintégration des protons est causée par le même processus que celui responsable de la prédominance des baryons sur les antibaryons dans l’Univers primitif ;
• A4) 30 tridécillions (1041) d’années est le temps maximum possible pour la désintégration de tous les baryons dans l’Univers. Après cette période, l’ère des trous noirs devrait commencer, car ils resteront les seuls objets célestes existants dans l’Univers ;
• A5) 17 septdécillions (10105) d’années est la durée approximative de l’évaporation complète des trous noirs, même les plus massifs. C’est la fin de l’ère des trous noirs et le début de l’ère des ténèbres éternelles, dans laquelle tous les objets de l’univers se sont décomposés en particules subatomiques et ont ralenti jusqu’au niveau d’énergie le plus bas.

Illustration du scénario de l’Univers futur où le proton est une particule élémentaire instable.

B) Le proton est une particule élémentaire stable ;

B1) 100 vigintillions (1063) années — le temps pendant lequel tous les corps sous forme solide, même au zéro absolu, passeront à l’état «liquide», sous l’effet de l’effet tunnel quantique — migration vers d’autres parties du réseau cristallin ;

B2) 101500 ans — apparition d’hypothétiques étoiles de fer dues aux processus de nucléosynthèse froide par effet tunnel quantique, au cours desquels les noyaux légers sont transformés en l’isotope le plus stable — Fe56 (selon d’autres informations, l’isotope le plus stable est le nickel-62, qui possède l’énergie de liaison la plus élevée). Dans le même temps, les noyaux lourds sont également transformés en fer par désintégration radioactive ;

B3) 10 années sur 1026 à 10 années sur 1076 est une estimation de l’intervalle de temps pendant lequel toute la matière de l’univers s’accumule dans les trous noirs.

L’âge des trous noirs

Image tirée du clip vidéo «Inevitability» du groupe Complex Numbers

Enfin, nous pouvons noter l’hypothèse selon laquelle, au bout de 10 années sur 10120, toute la matière de l’univers atteindra un état d’énergie minimale. C’est-à-dire qu’il s’agira du début hypothétique de la «mort thermique» de l’univers. Par ailleurs, les mathématiciens ont une notion de temps de retour de Poincaré.

Ce concept désigne la probabilité que, tôt ou tard, une partie du système revienne à son état d’origine. Une bonne illustration de ce concept est le cas où un récipient divisé en deux parties par une cloison contient du gaz dans l’une des parties. Si l’on supprime la cloison, il arrivera tôt ou tard un moment où toutes les molécules de gaz se retrouveront dans la moitié initiale du récipient. Pour notre univers, on estime que le temps de retour de Poincaré est fantastiquement grand.

La théorie de la «mort thermique» de l’Univers est également devenue populaire dans la culture populaire. Une bonne illustration de cette théorie a été le clip du groupe Complex Numbers : «Inevitability», ainsi que la nouvelle de science-fiction d’Isaac Asimov «The Last Question».

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Date de publication: 12-26-2023

Mettre à jour la date: 12-26-2023