La signification des travaux de Nicolas Léonard Sadi Carnot pour l’étude contemporaine des trous noirs

Silvester Borsboom, doctorant dans la thermodynamique des trous noirs à Nimègue (Pays-Bas)

Il y a exactement deux siècles, Nicolas Léonard Sadi Carnot fonda une nouvelle science dans son seul livre publié : les Réflexions sur la puissance motrice du feu. Cette science s’appelle la thermodynamique et elle compose aujourd’hui un des trois grands piliers de la physique théorique, à côté de la théorie de la relativité d’Einstein et la théorie quantique de Planck, Heisenberg, Bohr, Schrödinger et autres. En fait, une des plus grandes découvertes de la physique moderne fut le fait que les trous noirs sont des systèmes thermodynamiques !

Les trous noirs sont des régions dans l’espace-temps dont même la lumière n’arrive pas à s’en échapper. Il y en a un au centre de notre Voie lactée. La solution de l’équation d’Einstein qui correspond aux trous noirs fut trouvée en 1916 et, pendant des décennies, les physiciens pensaient que ces objets mystérieux ont une température de zéro absolu, c’est-à-dire 0 kelvins. Or, dans les années 70, Stephen Hawking démontra l’existence du rayonnement thermique des trous noirs. Dès lors on comprend que les trous noirs sont des entités thermiques que l’on peut décrire en utilisant les concepts qui proviennent du travail de Carnot !

En effet, une des notions les mieux connues des Réflexions est ce qu’on appelle le Cycle de Carnot, qui décrit les moteurs thermiques réversibles. Dans la recherche contemporaine des trous noirs on essaye de construire de tels cycles pour les trous noirs. Comme Carnot calcula l’efficacité maximale des moteurs, les physiciens calculent actuellement l’efficacité des trous noirs. Cela montre que les idées de Carnot sont plus pertinentes de nos jours que jamais !