Les trous noirs découverts par un mystique hindou ? Oppenheimer : partie II

Comme on l'a vu dans le précédent article, Oppenheimer faisait partie dès les années 1930 des scientifiques qui cherchaient des réponses et des inspirations philosophiques en dehors de la culture occidentale, dans celle de l'Asie et plus particulièrement de l'Inde. C'est ce qui l'avait conduit notamment à voir le parallèle entre sa situation de leader des équipes de physiciensphysiciens, ingénieurs, chimistes et mathématiciensmathématiciens à Los Alamos occupées à faire naitre les premières armes atomiques, et celle d'Arjuna dans la Bhagavad-Gita.

Mais que peut-on dire de la trajectoire scientifique d'Oppenheimer en dehors de ses contributions au projet Manhattan ? Voici quelques explications tirées notamment de la biographie d'Oppenheimer que l'on doit au Français Michel Rival.

Comme on l’a dit,  né le 22 avril 1904 à New York dans une famille juive aisée, Oppenheimer a vu son développement intellectuel précoce nourri par ses parents. Devant sa passion pour les roches et les minérauxminéraux ils vont par exemple lui acheter un microscopemicroscope équipé d'un polariseur. Apprenant par lui-même des mathématiques avancées, de la géométrie analytique au calcul infinitésimal, sa santé fragile va malheureusement lui faire perdre une année avant d'entrer en 1922 à Harvard où, selon sa propre expression, il va se sentir tel un Goth pillant Rome dans la bibliothèque de l'Université, lisant notamment Gibbs et Sommerfeld.

Sa passion vers la chimie va le conduire tout naturellement à la Mecque de la physique atomique de l'époque à savoir l'Université de Cambridge où se trouvent Ernest RutherfordErnest Rutherford à l'origine du premier modèle de l'atome avec un noyau et J.J Thomson, le découvreur de l'électron, tous deux déjà prix Nobel de physique.

Le prix Nobel de physique 1946, Percy Williams Bridgman (1882-1961), a ouvert la voie à l'étude de la matière à hautes pressions à l'intérieur des planètes. Il a eu comme étudiants Robert Oppenheimer, le grand géophysicien Francis Birch, et le futur prix Nobel de physique John Hasbrouck van Vleck. Il est considéré comme l'un des théoriciens les plus influents de l'opérationnalisme en épistémologie. © Fondation Nobel

Du froid de Cambridge au Soleil de Göttingen

Oppenheimer y arrive en 1925 avec les recommandations d'un de ses professeurs de Harvard, Percy Bridgman, futur prix Nobel de physique en 1946 pour ses travaux de pionnier sur la  physique des hautes pressions. Bridgman se préoccupait aussi d'épistémologie, étant une des figures de proue de l'opérationalisme, une forme de positivisme dont EinsteinEinstein et Heisenberg eux-mêmes se sont inspirés pour faire leurs découvertes révolutionnaires, même si les deux hommes refusaient que leurs positions épistémologiques se réduisent à l'opérationalisme.

Quand Oppenheimer arrive à Cambridge, ses connaissances sur la théorie quantique sont rudimentaires et il n'est curieusement pas encore en mesure de voir que la recherche en physique a déjà bifurqué entre ceux qui s'occupent essentiellement de théorie et ceux qui font essentiellement des expériences. Ses tentatives expérimentales sont des échecs et l'ambiance à Cambridge pour un étudiant s'avère très différente de Harvard, ce qui conduit Oppenheimer à un profond sentiment d'isolement et de dépression qui va se manifester par des crises qui feront dire à un psychiatre consulté par Oppenheimer qu'il est un cas désespéré sur le chemin sans retour de la schizophrénieschizophrénie.

Heureusement, parmi les chercheurs de Cambridge, Oppenheimer va tomber sur Sir Ralph Howard Fowler, un physicien théoricien et un astronomeastronome britannique sommité mondiale en mécanique statistique et qui compte parmi ses élèves rien de moins que Paul Dirac à ce moment-là et plus tard, Subrahmanyan ChandrasekharSubrahmanyan Chandrasekhar. Fowler suit de près la révolution quantique en cours menée par Heisenberg, Schrödinger, Born et son étudiant en thèse qui est précisément Dirac. Il fait dès lors participer Oppenheimer à ses recherches sur la nouvelle mécanique quantique.

Oppenheimer va rapidement se lier d'amitié avec Dirac (qui va découvrir quelques années plus tard l'antimatièreantimatière et être un des fondateurs de la théorie quantique du champ électromagnétiquechamp électromagnétique), peut-être parce qu'il partage avec le Britannique des traits d'autiste Asperger, rencontre à Cambridge Niels BohrNiels Bohr et surtout, en 1926, Max BornMax Born venu présenter ses travaux fondateurs avec Heisenberg et Jordan sur la mécanique quantique. Born est très impressionné par Oppenheimer qu'il invite à venir le rejoindre à Göttingen à l'automneautomne 1926 (le film de Nolan ne respecte pas la vérité historique à cet égard). Tout cela est déterminant pour Oppenheimer qui comprend dès lors que son réel talent, son génie même, relève de la physique théorique.

De la chimie quantique aux trous noirs en passant par l'antimatière

Avec Born, Oppenheimer ne va pas tarder à découvrir et développer en 1927 ce que l'on appelle depuis l’approximation de Born-Oppenheimer, une clé de la chimie quantique. 

Elle permet de simplifier des calculs autrement inextricables concernant les niveaux d'énergieénergie des moléculesmolécules ou des cristaux. En gros, elle montre sous certaines conditions que les mouvementsmouvements des électrons des atomes composant des molécules ou des cristaux se passent comme si les noyaux de ces atomes étaient immobiles en première approximation.

On calcule ensuite ce qui se passe quand on ajoute ces mouvements. Ainsi, le spectrespectre d'une molécule formée de deux atomes peut se voir comme une combinaison des mouvements des électrons dans les atomes et de vibrationsvibrations, comme si les deux atomes étaient reliés par un ressort, et aussi de mouvement de rotation de la molécule.

Oppenheimer va aussi découvrir un effet quantique devenu depuis célèbre, l'effet tunneleffet tunnel, indépendamment et avant George GamowGeorge Gamow qui s'en servira pour expliquer la radioactivitéradioactivité alpha et certaines réactions nucléairesréactions nucléaires au cœur du SoleilSoleil.

Le prix Nobel de physique Max Born est l'un des principaux fondateurs de la mécanique quantique et ses cours de physique, dont certains ont été publiés, montrent qu'il était aussi un grand pédagogue.  © DP

De la fin des années 1920 aux années 1930, après notamment un stage postdoctoral chez le mythique Wolfgang Pauli, Oppenheimer va travailler sur la théorie quantique des champs et plus spécifiquement l'électrodynamique quantiqueélectrodynamique quantique, ce qui va le conduire à être l'un des premiers à prendre au sérieux la théorie de l'antimatière de Dirac et l'un des premiers à découvrir les problèmes des divergences infinies pour les massesmasses et charges des particules en théorie quantique des champs, problèmes qui ne seront résolus qu'après-guerre par Schwinger, Tomonaga et surtout Feynman.

Mais on peut dire que les deux grands travaux théoriques d'Oppenheimer sont ceux qu'il va mener en 1939, posant les socles sur lesquels les théories des étoiles à neutrons et celle de l'effondrementeffondrement gravitationnel conduisant à la formation d'un trou noirtrou noir seront construites à la fin des années 1950 et au début des années 1960. Il s'agit des articles écrits en collaboration avec ses étudiants de l'époque : On Massive Neutron Cores, avec Georges Volkoff (inspiré par les idées du mythique physicien russe Lev Landau), et On Continued Gravitational Contraction avec Hartland Snyder. Snyder aura peu de temps après, en 1947, une des intuitions derrière la géométrie non-commutative d'Alain Connes appliquée à une théorie quantique de la gravitationgravitation.

Oppenheimer ne vivra pas assez longtemps pour voir la découverte des pulsarspulsars et des premiers candidats au titre de trous noirs, terrassé par un cancercancer en 1967. Mais beaucoup s'accordent à dire que, s'il avait vécu, disons une décennie de plus, il aurait probablement été lauréat du prix Nobel de physique précisément pour ses travaux de pionnier concernant les étoiles à neutronsétoiles à neutrons et les trous noirs. Curieusement, contrairement à des chercheurs comme John Wheeler et Yakov Zeldovich qui ont également joué un rôle important dans la mise au point des armes atomiques, Oppenheimer restera indifférent aux travaux tentant de prolonger les siens sur les trous noirs et les étoiles à neutrons, ne comprenant visiblement pas l'importance de ces sujets de recherche au-delà de ce qu'il avait déjà fait.

C'est d'autant plus curieux qu'au début des années 1960, John Wheeler était en poste à Princeton et qu'en 1965, il va publier une monographie avec son élève, le futur prix Nobel de physique Kip Thorne, qui va expliquer et décrire, en long et en large, l'importance pour la physique et la cosmologiecosmologie de l'effondrement stellaire découvert par Oppenheimer et Snyder.

Le professeur des prix Nobel de physique et des surdoués précoces

Oppenheimer a donc passé des années très productives à son retour aux USA, devenant professeur en Californie au Caltech et surtout à l'Université de Berkeley et l'on peut dire que c'est à cette époque l'un des principaux fondateurs de l'école de physique théorique américaine au tout début des années 1930. Il aura comme élèves les futurs prix Nobel de physique Willis Lamb et Julian Schwinger (un des rares physiciens qu'Oppenheimer respectait au point de ne pas l'interrompre pour le critiquer dans un séminaire), le physicien marxiste David Bohm devenu célèbre pour sa théorie alternative de la mécanique quantique et sa formulation de l'effet EPR testée par Alain Aspect,  en postdoctorat à Berkekey pendant trois ans, le physicien Leonard I. Schiff (lui aussi d'origine juive et entré à l'université à 14 ans), célèbre lui pour son traité de mécanique quantique et pas seulement pour ses travaux de pionnier sur le satellite Gravity Probe B destiné à tester des prédictions de la théorie de la relativité généralerelativité générale. Le prix Nobel Pierre-Gilles de Gennes, qui a fait un postdoctorat à Berkeley alors qu'Oppenheimer était déjà parti pour Princeton, racontera par la suite que le traité de Schiff contenait en fait tout le souffle d'Oppenheimer. On peut se faire une idée des cours d'Oppenheimer avec ceux qu'il donnait sur l'électromagnétisme car ils ont été publiés.

Oppenheimer ne produira plus d'article révolutionnaire après la Seconde Guerre mondiale. En 1947, il reçoit comme proposition de devenir le nouveau directeur de l'Institute for Advanced Study ou IAS (Institut d'étude avancée) à Princeton dans le New Jersey aux USA. Il y retrouvera Einstein, Hermann WeylHermann Weyl et Von Neumann pour ne citer qu'eux. Plusieurs jeunes scientifiques font le pèlerinage pour se former à la physique moderne à Princeton à ce moment-là comme Albert Messiah et Cécile DeWitt-Morette.

Le futur chercheur le plus marquant qui viendra à Princeton au même moment est le physicien et mathématicien Freeman Dyson.  

Dyson versus Oppenheimer : 1-0

Oppenheimer était réputé pour avoir un esprit incroyablement rapide mais trop confiant dans sa compréhension des problèmes de l'électrodynamique quantique (quantum electrodynamics ou QED en anglais) acquise au contact de Dirac et Pauli avant guerre, il ne cessera d'interrompre et de critiquer Dyson en séminaire alors que celui-ci exposait les travaux révolutionnaires de Richard FeynmanRichard Feynman sur le même sujet à la fin des années 1940, les connectant aux calculs de Julian Schwinger et du Japonais Sin Itiro Tomonaga -- les 3 hommes auront le prix Nobel de physique en 1965 pour leurs travaux sur la QED, Tomonaga avait passé sa thèse sous la direction de Heisenberg avant-guerre et Oppenheimer l'avait fait venir à l'IAS pour présenter ses travaux sur la QED en 1949.

Dyson avait bénéficié de discussions directes avec Feynman et Schwinger et avait compris que les idées de Feynman étaient équivalentes à celles des deux hommes mais bien plus profondes et faciles à utiliser, ouvrant une nouvelle ère en théorie quantique des champs avec ses fameux diagrammes et son intégrale de chemin, une nouvelle formulation de la mécanique quantique. Oppenheimer n'y voyait que des absurdités et multipliait les critiques acerbes et stupides des exposés de Dyson (on peut se faire une idée de leur contenu avec son cours de 1951). Le Britannique était alors en stage chez Hans Bethe, qui était le directeur du département de physique théorique de Los Alamos pendant le projet Manhattan, le découvreur des principales réactions thermonucléaires faisant briller les étoiles, et qui connaissait très bien Feynman également.

Bethe finit donc par débarquer dans le séminaire de Dyson pour dire à Oppenheimer abruptement de carrément fermer sa g... et d'écouter Dyson. Oppenheimer étant au fait des compétences de Bethe, il accepta l'idée qu'il fallait qu'il revoie son jugement et finalement, finit par devenir un ardent propagandiste des idées de Dyson et Feynman, accordant même à Dyson un poste à l'IAS alors que celui-ci n'avait pas encore passé sa thèse, ce qu'il ne fit jamais, ses publications sur les théories de Feynman, Tomonaga et Schwinger lui ayant en fait donné toute la créance nécessaire pour conserver à vie son post à l'IAS. Dyson a narré ses rencontres avec Bethe, Feynman et Oppenheimer dans son autobiographie.

En 1966, Oppenheimer apprend finalement qu'il est atteint d'un cancer de la gorgecancer de la gorge, cancer qui l'emportera le 18 février 1967 à son domicile de Princeton. Sa femme Kitty dispersera ses cendres dans l'Atlantique.