La mort de Stephen Hawking nous laisse seuls devant l'énigme du Big Bang. Ici, une vue d'artiste du Big Bang. Elle est trompeuse car celui-ci n'est pas une explosion dans un espace-temps préexistant. © Santa Pa design, Fotolia

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La mort de Stephen Hawking nous laisse seuls devant l'énigme du Big Bang

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Il aura défié la mort et la maladie de Charcot pendant cinquante ans, réussissant l'impossible. Révéré par la communauté scientifique, icône de la pop culture geek, Stephen Hawking est décédé le 14 mars 2018. L'astrophysicien était à la recherche d'une solution à l'énigme du Big Bang. Voici l'histoire de sa physique.

Stephen Hawking, l'astrophysicien qui a fait aimer la science  Le grand physicien Stephen Hawking est décédé le 14 mars 2018. Véritable légende de la physique, il fut aussi un très talentueux vulgarisateur. Retour sur la vie hors du commun de ce savant qui a su se faire aimer du public et rendre accessible ses travaux de recherche scientifique : trous noirs, théorie des supercordes, rayonnement de Hawking, théorèmes sur les singularités... La science lui dit un immense merci. 

À l'occasion de son 70e anniversaire, Albert Einstein avait eu l'opportunité d'écrire une courte autobiographie qu'il qualifiait même de « nécrologie ». Au lecteur qui aurait pu s'étonner d'une telle démarche, Einstein avait répondu par avance : « Est-ce bien là une nécrologie ? Pour ce qui est essentiel, oui. Car ce qui est essentiel dans l'existence d'un homme comme moi, c'est ce qu'il pense et comment il le pense, et non ce qu'il fait et ce qu'il éprouve. C'est pourquoi ma nécrologie peut être principalement réduite au récit des idées qui ont joué un rôle important dans mon travail de recherche ».

Si nous rappelons aujourd'hui ces mots, c'est parce que Stephen Hawking vient de nous quitter ce 14 mars 2018, à l'âge de 76 ans, lui qui a tant marché dans les pas d'Einstein. Cet astrophysicien de renom, né le même jour que Galilée (un 8 janvier) et décédé le jour où Albert Einstein aurait eu 139 ans, aura en effet impacté et renouvelé l'héritage de ce dernier probablement plus que tout autre jusqu'à maintenant (à l'exception peut-être de Roger Penrose et John Wheeler) en ce qui concerne la relativité générale et le problème de sa réconciliation avec la théorie quantique.

Futura a consacré de nombreux articles aux travaux de Stephen Hawking, notamment :

  • Du corps noir aux trous noirs, un dossier spécialement consacré au rayonnement Hawking et au paradoxe de l'information que celui-ci soulève via le fameux problème du rayonnement du corps noir.

L'homme a aussi défié la maladie de Charcot et la mort, devenant une icône de l'humanité. Plusieurs films et documentaires ont été consacrés à cet aspect de la vie de Stephen Hawking. C'est le cas de l'excellent A Brief History Of Time, d'Errol Morris, et de Une merveilleuse histoire du temps, avec Eddie Redmayne et Felicity Jones. C'est aussi le cas d'un téléfilm de la BBC (nettement plus fidèle à la réalité que Une merveilleuse histoire du temps), dans lequel Benedict Cumberbatch joue le rôle de Stephen Hawking, ancien détenteur de la Lucasian Chair of Mathematics de l'université de Cambridge (précédemment occupée par de grands noms de la physique, parmi lesquels ceux dont les théories ont bouleversé profondément notre vision du monde, tels Isaac Newton et Paul Dirac). Mais concentrons-nous ici sur la trajectoire scientifique de ce grand astrophysicien.

La physique de Stephen Hawking

Lorsque Hawking arrive à Cambridge au début des années 1960, la théorie de la relativité générale d’Einstein est en train de sortir de l'étiage dans lequel elle était depuis quelques décennies, pour reprendre l'expression de Jean Eisenstaedt. La découverte des quasars ne cadre pas avec le modèle dominant de la cosmologie de l'époque, la fameuse théorie de l'état stationnaire, proposée à la fin des années 1940 par Fred Hoyle, Thomas Gold et Hermann Bondi et qui décrit l'univers comme infini, éternellement en expansion et dont la densité reste constante à cause d'un processus de création continue de particules de matière.

On se met à chercher des modèles d'étoiles très massives avec un fort décalage gravitationnel vers le rouge à cause d'effets relativistes pour expliquer l'existence des quasars. Sortant tout juste de la course à la création des bombes à hydrogène, des théoriciens comme John Wheeler et Iakov Zeldovitch se tournent vers la théorie de la plus grosse explosion qu'on puisse imaginer, celle du Big Bang, même si l'hypothèse n'a pas encore très bonne presse dans la communauté scientifique.

Du côté de la physique des particules élémentaires, c'est la crise : de nouvelles particules sont sans cesse découvertes alors qu'aucune théorie ne semble vraiment en mesure d'expliquer leur existence et leurs propriétés. Rebuté par l'aspect par trop « botanique » de cette physique, Hawking se tourne alors vers la cosmologie qui, elle, dispose d'une théorie bien spécifique, la théorie de la relativité générale.

À Cambridge, Hawking rêve de passer son doctorat sous la tutelle de Hoyle, le mandarin de la cosmologie de l'époque, mais c'est à Dennis Sciama, un chercheur beaucoup moins brillant, en apparence du moins, que la jeune pousse est confiée. C'est sa chance : Hoyle est en train de commencer à perdre les pédales au moment où le rayonnement fossile est découvert en 1965 ; pour la majorité des chercheurs, sauf pour Hoyle, cela signe rapidement l'arrêt de mort de la théorie de l'état stationnaire. De plus, Sciama semble au courant de tout ce qui se fait en physique à l'époque et il est particulièrement disponible pour ses étudiants, les chargeant en quelque sorte de résoudre les problèmes qu'il se sait trop peu talentueux pour résoudre lui-même. Sciama sera non seulement le mentor de Hawking mais aussi celui de Martin Rees, de Brandon Carter et même, pendant un temps, celui de Roger Penrose (ce mathématicien spécialiste de la géométrie algébrique va plonger dans le monde de la physique et de la cosmologie relativiste sous l'influence de Sciama).

Hawking passe sa thèse brillamment en 1965 ; celle-ci est consacrée bien sûr à la cosmologie. Il étend les travaux de Penrose sur les singularités à l'intérieur des trous noirs pour démontrer qu'il en existe également dans le cadre des modèles de cosmologies relativistes, impliquant dans ces modèles un véritable début du temps. Pas dupe à l'époque, pas plus que Penrose ou Wheeler, Hawking sait et dit qu'on ne peut faire confiance aveuglément à cette prédiction sans une théorie quantique de la gravitation. Les trous noirs sont un laboratoire naturel pour la trouver car comme l'avait déjà remarqué John Wheeler (à qui l'on doit le terme de trou noir), l'effondrement d'une étoile donnant un trou  noir ressemble beaucoup, si l'on change le sens de l'écoulement du temps, à l'expansion de l'univers depuis le Big Bang. C'est d'ailleurs en exploitant cette idée que Stephen Hawking a transposé le travail de Penrose sur l'occurrence d'une singularité de l'espace-temps avec un trou noir en formation au cas du Big Bang.

Pour l'heure, il va se consacrer, avec d'autres chercheurs (dont George Ellis, aussi élève de Sciama, et Robert Geroch, élève de Wheeler), à l'approche géométrique et topologique des solutions des équations d'Einstein. Celle-ci a été initiée par Penrose et permet d'établir et de décrire en particulier les singularités et autres propriétés de l'espace-temps associées à la physique des trous noirs et des modèles cosmologiques relativistes. Il en sortira une monographie monumentale écrite au début des années 1970 avec son condisciple George Ellis, The Large Scale Structure of Space-Time, qui peut être vue comme un développement considérable de sa thèse.

Hawking hésite un temps à se lancer dans le domaine des ondes gravitationnelles, alors en plein développement. Il abandonne vite celui-ci après quelques travaux pour le laisser à l'un de ses amis proches, le futur prix Nobel de physique Kip Thorne, qui va l'explorer en relation avec la physique des trous noirs et des étoiles relativistes.

De l'entropie des trous noirs au temps imaginaire du Big Bang

Toujours au début des années 1970, Hawking établit un théorème sur la croissance de la surface des trous noirs qui semble donner du poids à l'idée révolutionnaire d'un jeune thésard de Wheeler, Jacob Bekenstein. Hawking pense que l'idée de Bekenstein, qui consiste à associer une entropie à la surface d'un trou noir, est complètement idiote. Un trou noir devrait alors avoir une température et donc rayonner, ce qui apparaît impossible du point de vue de la théorie de la relativité générale. Hawking décide de montrer que cette idée est bel et bien absurde tout en développant une idée à lui basée sur le concept de minitrou noir.

Dans le cadre des équations d'Einstein, le début de l'univers devait correspondre à un état de l'espace-temps très chaotique et turbulent qui pouvait contraindre son contenu en matière ou en lumière à s'effondrer localement en donnant des trous noirs de masses pouvant être très inférieures à celle d'une planète, voire d'un atome. On pouvait même imaginer l'existence de minitrous noirs chargés se comportant comme des particules élémentaires relativement stables dans les rayons cosmiques.

Pour décrire ces objets, Hawking doit apprendre la théorie des champs quantiques de particules en espace-temps courbe, ce qu'il va faire en allant prendre des cours avec les experts de l'époque. Ceux-ci sont à Moscou : il s'agit de Iakov Zeldovitch et de son collaborateur Alexeï Starobinski, qui sera d'ailleurs quelques années plus tard un des pionniers de la théorie de l'inflation.

De retour à Cambridge, Hawking découvre son fameux rayonnement conduisant à l'évaporation des trous noirs. Il s'engage alors dans l'exploration des conséquences du mariage de la théorie d'Einstein et des lois de la théorie quantique des champs en espace-temps courbe, à la recherche d'une véritable théorie quantique de la gravitation, laquelle est nécessaire pour vraiment comprendre comment l'univers a commencé.

Des images d'archive de Stephen Hawking avant qu'il n'ait définitivement perdu l'usage de la parole. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais apparaissent alors. Cliquez ensuite sur la roue dentée à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © HawkingVideos, YouTube

Perdant graduellement l'usage de ses mains (et aussi de la parole), Hawking ne pouvait déjà presque plus faire de calculs au début des années 1970. C'est pourquoi il s'est concentré sur des approches et des raisonnements géométriques comme ceux développés par Roger Penrose initialement et aussi dans les travaux de Richard Feynman avec ses fameux diagrammes et son intégrale de chemin, capitaux pour le succès de la révolution du modèle standard en physique des particules (la QCD et la théorie électrofaible basée sur les équations de Yang-Mills et la théorie des groupes) au cours des années 1970.

Avec des collègues, il produit toute une série de résultats uniques, aidé par cette approche qui a fait de son handicap une force et qui avait déjà commencé à montrer sa puissance avec la découverte de ce qui est maintenant appelé « le rayonnement Hawking ».

Au début des années 1980, et alors que les théories de la supergravité et bientôt des supercordes, commencent à donner des résultats très prometteurs, il pense qu'une théorie unifiée de toutes les forces et de toutes les particules, le graal poursuivi par Einstein jusqu'à sa mort, est à portée de main ainsi qu'une théorie quantique de la gravitation permettant enfin de percer les secrets du Big Bang.

La théorie de la relativité générale d'Albert Einstein (1915) n'est pas compatible avec la physique quantique (qui décrit le comportement des atomes et des particules), l'autre grand fondement de la physique. Faut-il donc aller plus loin et trouver la théorie « qui unifie tout » ? Les réponses d'Aurélien Barrau. © Bibliothèque publique d'information

Lui-même fait une proposition fascinante en ce sens avec James Hartle en introduisant l'idée d'un temps imaginaire en cosmologie. C'est le fameux modèle sans bord de Hartle-Hawking qui supprime la singularité cosmologique primordiale.

Au cours de ces années, Hawking est également un fervent défenseur de la théorie de la supersymétrie et de la théorie de l'inflation, qu'il contribue à développer. Il se penche aussi sur la question des trous de ver, qui modifient la topologie de l'espace-temps, en leur donnant une structure en écume ; ceux-ci sont susceptibles de résoudre le fameux problème de la valeur de la constante cosmologique, qui deviendra encore plus aigu avec la découverte la décennie suivante de l'accélération de l'expansion de l'univers.

Sa théorie quantique des trous de ver suggère d'ailleurs qu'on ne pourra pas observer le boson de Brout-Englert-Higgs au LHC et Hawking prend un pari à ce sujet. Pari qu'il perdra en 2012 à l'annonce de la découverte de celui-ci.

Les trous noirs, le paradoxe de l'information et le principe holographique

Pendant les années 1990, il accompagne également la seconde révolution des supercordes avec l'essor de la théorie M, des modèles de cosmologie branaire et du principe holographique, dont l'expression la plus précise est la fameuse correspondance AdS/CFT, découverte par Juan Maldacena.

Avec l'arrivée du XXIe siècle, la production scientifique de Hawking va se ralentir, mais elle ne disparaîtra pas. L'astrophysicien va intervenir dans le débat sur le paradoxe de l'information concernant les trous noirs, qu'il a été le premier à introduire en physique, en particulier avec la polémique sur l'existence ou non d'un « firewall ». C'est un sujet très complexe que Futura a abordé dans plusieurs articles :

On s'attendait à ce que le LHC nous permette de créer des minitrous noirs et des particules de matière noire supersymétriques, démontrant l'existence de dimensions spatiales supplémentaires, validant la théorie des supercordes et ouvrant l'ère de la gravitation quantique expérimentale en reproduisant vraiment les conditions de la naissance quantique du cosmos observable. On espérait également voir des signes d'une théorie du tout et peut-être de la gravitation quantique dans le rayonnement fossile, cartographié comme jamais par Planck.

Il n'en fut rien et la quête de signatures des phases finales de l'évaporation de minitrous noirs sous forme de flashs de rayons gamma s'est soldée par un échec. Pour ces raisons, et malgré l'énorme influence des travaux de Hawking sur la physique depuis presque cinquante ans, celui-ci nous a quittés sans recevoir de prix Nobel, et nous n'en savons pas plus aujourd'hui sur l'énigme du Big Bang et les lois ultimes de l'univers que ce que Hawking nous a appris au cours des années 1970 et 1980.

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