L'astronome du XVIIe siècle Johannes Kepler a été le premier à réfléchir à la structure des flocons de neige. Pourquoi sont-ils si symétriques ? Comment un côté sait-il depuis combien de temps le côté opposé a grandi ? Kepler pensait que tout était dû à ce que nous appellerions maintenant un « champ morphogénique » - que les choses vouloir avoir la forme qu'ils ont. La science a depuis écarté cette idée. Mais la question de savoir pourquoi les flocons de neige et les structures similaires sont si symétriques n'est néanmoins pas entièrement comprise.

La science moderne montre à quel point la question est fondamentale :regardez toutes les galaxies spirales qui existent. Ils peuvent avoir un demi-million d'années-lumière de diamètre, mais ils conservent toujours leur symétrie. Comment? Dans notre nouvelle étude, Publié dans Rapports scientifiques , nous présentons une explication.

Nous avons montré que l'information et l'« entropie », une mesure du désordre d'un système, sont liées (« info-entropie ») d'une manière exactement analogue aux champs électriques et magnétiques (« l'électromagnétisme »). Les courants électriques produisent des champs magnétiques, tandis que les champs magnétiques changeants produisent des courants électriques. L'information et l'entropie s'influencent mutuellement de la même manière.

L'entropie est un concept fondamental en physique. Par exemple, parce que l'entropie ne peut jamais diminuer (le désordre augmente toujours), vous pouvez transformer un œuf en œufs brouillés mais pas l'inverse. Si vous déplacez des informations, vous devez également augmenter l'entropie - un appel téléphonique a un coût d'entropie.

Nous avons montré que l'entropie et l'information peuvent être traitées comme un champ et qu'elles sont liées à la géométrie. Pensez aux deux brins de la double hélice d'ADN qui s'enroulent l'un autour de l'autre. Les ondes lumineuses ont la même structure, où les deux brins sont les champs électrique et magnétique. Nous avons montré mathématiquement que la relation entre l'information et l'entropie peut être visualisée en utilisant exactement la même géométrie.

Nous voulions voir si notre théorie pouvait prédire les choses dans le monde réel, et a décidé d'essayer de calculer la quantité d'énergie dont vous auriez besoin pour convertir une forme d'ADN en une autre. L'ADN est après tout une spirale et une forme d'information.

Cela a en fait été fait dans des mesures extraordinairement précises il y a environ 16 ans. Les chercheurs ont tiré une molécule d'ADN droite (l'ADN aime se recroqueviller), et l'a tordu 4, 800 tours en tenant les extrémités avec des pincettes optiques. L'ADN a basculé d'une forme à une autre, comme sur la photo ci-dessus. Les chercheurs ont alors pu calculer la différence d'énergie entre les deux formes.

Mais notre théorie pourrait calculer cette différence d'énergie, trop. Nous connaissions l'entropie de chacune des deux versions de cette molécule d'ADN, et l'énergie est simplement le produit de l'entropie et de la température. Notre résultat était parfait, la théorie semblait tenir le coup.

De minuscule à énorme

Les galaxies spirales sont des doubles spirales tout comme l'ADN est une double hélice - mathématiquement parlant, elles ont des géométries similaires.

Notre théorie montre directement pourquoi les deux bras des galaxies spirales sont symétriques - c'est parce que les champs d'info-entropie donnent naissance à des forces (comme les autres champs). Les étoiles de la galaxie sont simplement chorégraphiées par une force entropique pour s'aligner en une paire de telles spirales afin de maximiser l'entropie.

Mais nous voulions obtenir des chiffres réels, trop. Nous avons donc décidé d'essayer de calculer la masse de notre galaxie à partir de notre théorie. Nous savons à quel point la Voie lactée semble lourde à partir de la vitesse à laquelle les étoiles se déplacent près du bord galactique - elle représente environ 1,3 billion de masses solaires.

Étrangement, c'est en fait bien plus que la masse de toutes les étoiles visibles dans la galaxie. Pour pouvoir expliquer cet écart et expliquer pourquoi les étoiles se déplacent tellement plus vite que prévu, les astronomes ont eu l'idée de la "matière noire" - une masse invisible cachée dans la galaxie, augmentant son attraction gravitationnelle sur les étoiles.

Nous avions besoin de connaître l'entropie de la galaxie pour nos calculs. Heureusement, le physicien mathématicien Roger Penrose a montré que cette entropie est dominée par l'entropie de son trou noir super-massif central.

On connaît la masse de ce trou noir (4,3m de masses solaires). Et étonnamment, quand on connaît la masse d'un trou noir, il y a une équation, découvert par le regretté physicien Stephen Hawking, qui calcule son entropie. Hawking a également découvert comment calculer la "température" à sa surface, ou "horizon des événements".

Si vous pouvez attribuer une "température" à l'horizon des événements du trou noir - qui n'a rien dedans pour avoir une température - pourquoi ne pas également attribuer une température à une galaxie ? Nous soutenons dans notre article que cela est raisonnable (en utilisant ce que l'on appelle le "principe holographique"). Nous avons donc utilisé nos équations d'info-entropie pour calculer la température holographique de la galaxie.

Ensuite, cela devient facile. Nous savons que l'énergie galactique est donnée par le produit de son entropie et de sa température. Et quand on connaît l'énergie on peut connaître la masse grâce à la fameuse équation d'Einstein :E=mc ² .

Cette fois, le résultat n'était pas exactement au rendez-vous, mais c'était raisonnablement proche étant donné notre modèle très simplifié de la galaxie. La géométrie info-entropique d'une galaxie explique non seulement comment les forces entropiques créent la forme magnifiquement symétrique et la maintiennent, mais explique aussi toute la masse qui semble y être évidente.

Cela signifie que nous n'avons pas vraiment besoin de matière noire après tout. Selon notre modèle, l'entropie galactique donne lieu à une si grande quantité d'énergie supplémentaire qu'elle modifie la dynamique observée de la galaxie, faisant bouger les étoiles au bord plus vite que prévu. C'est exactement ce que la matière noire était censée expliquer. L'énergie n'est pas directement observable sous forme de masse, mais sa présence est certainement confirmée par les observations astronomiques, expliquant pourquoi les recherches sur la matière noire n'ont jusqu'à présent rien trouvé.

Cependant, de nombreuses recherches soutiennent l'idée de la matière noire. Notre théorie suggère une explication alternative des observations, et n'a pas besoin de nouvelle physique. Bien sûr, des travaux plus détaillés sont nécessaires pour vérifier que la véritable complexité des observations peut également être modélisée avec succès.

Nous pensons que le "champ morphogénique" recherché par Kepler existe bel et bien, et est en fait l'effet de l'entrelacement de l'information et de l'entropie. Après quatre longs siècles, il semble que Kepler ait finalement été justifié.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original.