La raison physique pour laquelle tout se désagrège 

Les choses ont tendance à se dérégler. Nous le savons intuitivement, mais depuis 200 ans, les physiciens en ont aussi saisi l'explication mathématique. Une propriété énigmatique, appelée entropie, qui décrit grosso modo le degré de désordre d'un système, a tendance à toujours augmenter. Autrement dit, les choses deviennent plus désordonnées et mélangées avec le temps. Les physiciens appellent cette tendance le deuxième principe de la thermodynamique, mais il s'agit plus d'une question de statistiques que de physique. L'entropie augmente simplement parce qu'il y a bien plus de façons d'être désordonné que d'être ordonné.

Prenons une goutte d'encre dans un bassin d'eau. Imaginez toutes les configurations possibles des molécules d'encre et d'eau. Les arrangements où les molécules d'encre restent groupées en une petite forme de larme sont rares, comparés à toutes les configurations où elles sont dispersées dans tout le bassin. Le deuxième principe énonce simplement que les molécules, en s'agitant et en se poussant les unes les autres, finiront inévitablement dans un état plus probable (encre uniformément répartie) plutôt que dans un état spécial et rare (encre concentrée en un point).

Presque tous les systèmes connus fonctionnent de la même manière. Les morceaux de sucre se dissolvent dans le café. Les parfums se diffusent dans une pièce. Les vagues dispersent les grains d'un château de sable sur la plage.

Les physiciens ont commencé à comprendre la croissance de l'entropie au milieu du XIXe siècle, mais aujourd'hui, une approche plus moderne existe. Comme l'a expliqué Zack Savitsky dans son exploration approfondie du concept l'année dernière, l'entropie peut se concevoir comme une mesure de l'incertitude ou de l'ignorance.

Cette définition alternative remonte à un article de 1948 du mathématicien américain Claude Shannon, qui a établi une théorie de la communication. Dans cette théorie, un message à faible entropie possède une structure reconnaissable, comme la goutte d'encre. Par exemple, le message abababab… a une faible entropie, donc une faible incertitude : après quelques caractères, vous pouvez deviner la suite. En revanche, une suite aléatoire comme fkale93xh… a une entropie élevée, et vous ne pouvez pas prédire ce qui suit.

Cette notion plus générale d'entropie comme incertitude éclaire encore mieux pourquoi les systèmes tendent vers le désordre, conformément au deuxième principe. Prenons un jeu de cartes : à sa sortie de l'emballage, l'ordre est parfaitement prévisible (as, deux, trois, etc.). Mais après quelques mélanges, il devient impossible de savoir quelle carte suit un as. Notre ignorance augmente à chaque brassage, car le jeu atteint un état désordonné, bien plus probable.

C'est aussi vrai pour l'univers dans son ensemble. Les arrangements les plus courants des atomes et molécules sont uniformes, où aucune partie ne contient d'information révélant l'arrangement ailleurs. Ainsi, au fil des changements, l'univers évolue inévitablement vers des états plus probables : monotones et sans structure.

Quoi de neuf ?

Certains physiciens sont insatisfaits du flou du deuxième principe. Le présent devrait mener à un seul futur, disent-ils, alors pourquoi parler de statistiques sur plusieurs futurs possibles ? Ces chercheurs ont récemment progressé dans la dérivation de la nature statistique du deuxième principe à partir de principes quantiques absolus.

L'inéluctabilité du deuxième principe a attiré l'attention sur des cas semblant le défier. En 2017, des physiciens ont découvert des "cicatrices quantiques", où des motifs dans des chaînes de particules se brisent puis réapparaissent spontanément. D'autres groupes ont construit un type étrange d'ordre magnétique persistant à haute température, alors que l'entropie efface normalement toute structure. Et puis il y a la vie elle-même, arrangement hautement ordonné de molécules.

Mais ces exemples exploitent simplement les petites lignes du deuxième principe. Les cicatrices quantiques correspondent à un jeu de cartes très spécial et une technique de mélange particulière permettant à l'ordre de revenir – pas à une baisse générale d'entropie. L'ordre magnétique persiste en laissant croître un autre type de désordre plus rapidement. Il survit à l'entropie croissante au lieu de la défier. Les biophysiciens estiment que les organismes vivants agissent de même, maintenant leur entropie faible en augmentant considérablement celle de leur environnement. Ainsi, ces exceptions apparentes confirment la règle.

L'entropie a aussi servi à percer l'un des mystères les plus obscurs de l'univers : les trous noirs. Dans les années 1970, le physicien Jacob Bekenstein a remarqué que les trous noirs semblaient violer le deuxième principe : en avalant des tasses ou des planètes, ils effaçaient leur entropie, réduisant ainsi celle de l'univers extérieur. Mais Bekenstein a estimé qu'il ne fallait jamais parier contre le deuxième principe : les trous noirs devaient donc posséder leur propre entropie, croissant avec leur taille. Pour beaucoup de physiciens, cela suggère que les trous noirs sont composés de multiples éléments réarrangeables, comme un gaz de molécules. Étrangement, ces éléments semblent résider à leur surface plutôt qu'à l'intérieur – un mystère considéré comme une piste majeure pour comprendre la gravité quantique.

Mais l'héritage le plus durable de l'entropie pourrait être la façon dont elle aide à définir le futur lui-même. On peut affirmer que la "flèche" du temps pointe dans la direction de l'entropie croissante. Cette idée a nourri des recherches sur les origines quantiques du temps et de sa mesure.