Utilisateur:LeYaYa/Stephen Hawking

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Recherches

Résumé

Malgré la difficulté de ses thèmes de recherche, l'étude des singularités, concept physique et astronomique récent, permet à Hawking de développer différentes théories, qui le mèneront du Big Bang aux trous noirs.

En premier lieu, Roger Penrose et lui construisent la structure mathématique répondant à la question d'une singularité comme origine de l'Univers. Ensuite, à partir des années 1970, Hawking approfondit ses recherches sur les densités infinies locales, et ses études sur les trous noirs ont fait progresser bien d'autres domaines. Enfin, la théorie du tout (TOE), visant à unifier les quatre interactions fondamentales de la physique, est au centre des recherches actuelles de Hawking. Le but est de démontrer que l'Univers peut être décrit par un modèle mathématique unique, déterminé par les lois physiques connues, en vertu du principe de croissance finie mais non bornée, modèle auquel Hawking a donné beaucoup de crédit.

En quelques lignes

La radiation Hawking

Au milieu des années '60, alors qu'il poursuit ses études de physicien en vue d'obtenir son doctorat, Hawking démontre que la théorie de la relativité générale d'Einstein implique que l'espace et le temps ont eu un commencement, le Big Bang, et une fin, les trous noirs.

Ces conclusions le conduisent à découvrir dès 1963 que les trous noirs ne seraient pas si noirs que cela, mais qu'ils seraient capables d'émettre un rayonnement, le rayonnement Hawking. Hawking se rappelle qu'en 1963 il fit un voyage à Paris pour présenter un séminaire sur le sujet. Il avoua que « ce ne fut pas un grand succès. D'abord les scientifiques français ne croyaient pas aux trous noirs. Et le nom les repoussait. Leur traduction en trou noir avait des connotations sexuelles douteuses »^{[réf. nécessaire]}. Rappelons que c'est le physicien John Archibald Wheeler de l'université de Princeton qui, en 1967, dénomma « trou noir » une telle singularité et l'enveloppe qui l'entoure^{[réf. nécessaire]}. Les français auraient bien aimé l'appeler « astre occlus » en hommage à Pierre-Simon Laplace, mais avec le recul, le terme choisi traduit bien le caractère mystérieux qui recouvre cette entité. Le trou noir est à la fois caché à nos regards au sens strict et provoque un grand impact d'un point de vue psychologique.

La radiation Hawking correspond à un rayonnement de corps noir, est émise dans toutes les directions et conduit à deux conclusions :

• d'une part, ce rayonnement renverse la définition même du trou noir puisque dans ce cas-ci, il libère des particules dans l'espace ;
• d'autre part, ce phénomène conduit finalement à son évaporation quantique et sa disparition dans un intense flash d'énergie pure.

Les mini-trou noirs

En 1971, Hawking avance l'hypothèse que le phénomène du Big Bang aurait dispersé dans l'espace des mini-trous noirs d’une masse d’environ 10⁹ tonnes et de la taille d'un proton ainsi que des trous noirs plus massifs et de la taille d'une montagne. Des trous noirs aussi massifs que dix millions de masses solaires pourraient également résider au centre des galaxies, ce qui expliquerait l'intense énergie émise par les radiogalaxies et les quasars.

L'entropie des trous noirs

Trou noir : vue d'artiste

Mais à force de calculs, il découvre également qu'en appliquant les lois de la physique quantique à la cosmologie, il peut déterminer la dimension des singularités, ces « points de densité et de courbure d'espace-temps infinis » prédits par la relativité générale et que l'on ne peut pas traiter mathématiquement. Il réalise que l'horizon des événements des trous noirs (la limite sous laquelle rien ne peut s'échapper) ne peut pas diminuer lorsqu'il attire de la matière. Si on prend une analogie avec la thermodynamique dit-il, c'est exactement ce que dit la deuxième loi de la thermodynamique : « dans un système fermé, l'entropie (son degré de désordre) ne peut pas décroître ». D'autres disent plus simplement que le chaos augmente. Dans une singularité, le système thermodynamique est totalement désordonné car le tenseur de Weyl est dominant, il tend même vers l’infini, ce qui permet à Hawking de conclure que son entropie est maximale. Mais son confrère, Jacob Bekenstein de l'université de Princeton lui répond, qu'il ne s'agit pas seulement d'une analogie, l'horizon des événements représente la mesure de l'entropie du trou noir. Il s'ensuit un échange d'arguments par articles interposés jusqu'à ce que Hawking lui fasse remarquer que si un trou noir présente une entropie, il a donc aussi une température, et s'il a une température, il doit émettre un rayonnement, mais que par définition un trou noir n'émet rien, aucun rayonnement. C'est alors qu'Hawking va plus loin dans ses calculs et découvre qu'un trou noir peut finalement émettre un rayonnement de manière constante. Il pense tout d'abord avoir fait une erreur de calcul et garde ses travaux pour lui : « Je craignais dit-il, que Bekenstein ne le découvre, et ne l'utilise comme argument pour appuyer sa propre théorie ». Finalement Hawking le convainc de l'exactitude de son résultat et qu'on peut utiliser la physique quantique pour expliquer le mécanisme de rayonnement qui porte aujourd'hui son nom. Bekenstein s'y plie à contrecœur, disant que c'est « fondamentalement exact mais d'une manière à laquelle je ne m'attendais certainement pas ».

Hawking aborde la question plus tard dans la première version de son livre « Trous noirs et bébés univers » avec moult détails puis supprime ce passage en disant simplement que Jacob Bekenstein lui a fait une « suggestion cruciale ». On lui attribue en réalité le fait qu'il voulait tourner la théorie de Berkenstein en dérision, « ricanant » de la théorie de son concurrent, la traitant de « scandaleuse », ou d'« insensée » pour accroître la valeur de ses résultats. Même son directeur de thèse, le Dr Dennis Sciama trouve « son ton méprisant face au travail de Bekenstein ». Finalement tout le travail de son concurrent est oublié.

La perte d'information dans un trou noir

Si un trou noir est capable de rayonner, ce n'est pas pour autant que cette radiation contient une information sur le trou noir. La particule émise peut être « n'importe quoi » tant que sa longueur d'onde est supérieure au quart de la circonférence du trou noir (celle de l'horizon des événements). En fait, en absorbant tout jusqu'à la lumière, le trou noir devient une censure cosmique comme le disait Penrose, ne libérant aucune information sur ses propriétés. Du moins Hawking le pense-t-il à l'époque. Mais cela n'étant qu'une solution théorique tirée de ses calculs, il fait le pari avec Kip Thorne contre John Preskill que les trous noirs constituent la phase terminale de l'univers et emprisonnent à jamais tout ce qui passe à leur proximité sans libérer la moindre information. Or, récemment il vient d'avouer avoir fait une erreur dans ses calculs (voir plus bas).

Les trous de ver

schéma d'un trou de vers de masse négative

Hawking décrit également les « trous de ver », (wormholes) des fluctuations quantiques dans l'espace-temps qui, à l'image des tunnels, permettent en un instant d'atteindre Alpha du Centaure ou n'importe quel autre corps céleste en prenant un raccourci dans l'espace-temps. Cette théorie est reprise et vulgarisée par les médias, bien que rien ne prouve que ces trous de ver existent et que personne n'est capable de dire si ces entités qui ont une échelle subatomique peuvent se maintenir à l'échelle macroscopique sans s'effondrer en raison de leur instabilité intrinsèque.

La flèche du temps et l'univers sans bord

En 1983, Hartle et Hawking abordent également la question de la flèche du temps, sujet qu'Hawking développe dans son livre « Une brève histoire du temps ». Hawking propose (ce n'est pas déduit d'un principe) la conjecture (le théorème) d'un univers sans bord (no-boundary) qui n'aurait pas de frontière, prenant naissance dans un temps imaginaire pour éviter l'écueil des infinis et des instants zéro asymptotiques et inatteignables. Hawking explique que c'est la seule manière d'entrevoir le commencement de l'univers d'une manière totalement déterminée par les seules lois de la science, sous-entendant que le Créateur n'y joue aucun rôle dominant.

Initialement Hawking propose que l'univers sans bord est indépendant, autosuffisant, sans début franc qui serait marqué par un instant zéro. Il pose ensuite la question : dans ces conditions, que se passerait-il si l'univers s'arrêtait de s'étendre et commençait à se contracter ? Il croit d'abord que l'entropie diminuerait et que le temps se déroulerait à l'envers. Mais d'autres chercheurs s'opposent à ses conclusions. Hawking dira finalement^{[réf. nécessaire]} : « J'ai réalisé (...) que j'avais fait une erreur ». En fait il fut induit en erreur par ses propres théories, cherchant des analogies inexistantes ou créant un modèle trop simple.

Einstein avait déjà exprimé ce risque en 1915 à propos de la représentation de l'espace-temps : beaucoup de physiciens parlent de « ralentissement de la lumière » et de « contraction des longueurs » où Einstein parle de « courbure de l'espace-temps ». Si ces deux manières d'aborder la relativité sont similaires, l'une extrinsèque, l'autre intrinsèque, l’espace-temps plat gomme les propriétés inhérentes du continuum espace-temps. S’ils n’y prêtent pas attention, les physiciens par exemple, croient mesurer des lignes droites alors qu'il s'agit de géodésiques. Cette interprétation entraîne une simplification mais et surtout, des erreurs de mesures. Einstein connut le même problème quand il élabora ses premiers modèles d'univers. Les astronomes de l'époque lui ayant dit que l'univers n'était pas en expansion, il dut faire appel à la constante cosmologique pour neutraliser l'effet de l'expansion que prévoyaient ses équations. Hawking à son tour considéra que son « erreur » était un exemple de vertu scientifique, citant Einstein^{[réf. nécessaire]} :

« Il me paraît beaucoup mieux et moins confus d'admettre par écrit que j'ai eu tort. Un bon exemple est celui d'Einstein, qui fit appel à la constante cosmologique pour élaborer un modèle statique de l'univers, qu'il considéra par la suite comme ayant été la plus grande erreur de sa vie ».

La théorie de l'inflation

À propos de la structure de l'univers, les observations tendent à prouver que la matière contenue dans l'univers est insuffisante pour provoquer son effondrement à long terme.

En 1995, Neil Turok et son équipe proposent une solution dans laquelle l'univers inflationnaire est ouvert. ^{[réf. nécessaire]}

« À l'image d'une bulle d'eau bouillante qui gonfle explique Turok, la bulle quantique qui donna naissance à notre univers contenait en elle-même tout le futur de la bulle. Étant donné que la bulle deviendra infiniment étendue dans le futur, la taille de l'univers actuel est aujourd'hui infinie. »

Bien que Turok ne puisse pas expliquer ce qui s'est produit avant l'inflation, son modèle intéresse Hawking. De leur collaboration naît la théorie de l'Instanton de Hawking-Turok^{[réf. nécessaire]}.

Leur modèle suggère que l'Univers s'est créé spontanément à partir de rien, plus exactement à partir de minuscules particules baptisées « instanton » soumises à un phénomène inflationnaire. Les anglo-saxons ont surnommé ces nouvelles particules les « pois » (pea), surnom qui est aujourd'hui popularisé.
Un instanton est un phénomène quantique. C'est une particule théorique correspondant à une sorte de « torsion de la matière et de l'espace-temps ». Son nom suggère par ailleurs qu'elle ne vit qu'un instant. Cette particule est beaucoup plus petite qu'un petit pois mais sa densité extrêmement élevée représente selon les physiciens une masse à peu près équivalente à celle d'un petit pois. La principale propriété de cet instanton est de se transformer de lui-même en un univers ouvert, inflationnaire.

Turok nous donne une autre image de la théorie Hawking-Turok^{[réf. nécessaire]} :

« Imaginez, dit-il, l'inflation comme étant la dynamite qui a produit le Big Bang. Notre instanton est une sorte de fusible automatique qui déclenche l'inflation. Pour obtenir notre instanton, nous devons réunir la gravité, la matière, l'espace et le temps. Retirez un ingrédient, et notre instanton n'existe plus. Mais si vous disposez d'un instanton, il se transformera instantanément en un univers inflationnaire, infini. »

Dans son principe, l'idée présentée par Hawking et Turok consiste à dire que l'Univers est virtuellement né de rien et que l'instanton consiste en un minuscule objet créant et contenant à la fois sa propre gravité et son propre espace-temps, mais il n'existe rien « avant » l'instanton.

Hawking et Turok pensent que l'existence de cet objet hypothétique et la suite des actions qui en découlent ont produit le Big Bang — s'il y en a eu un — et l'univers dans le lequel nous vivons aujourd'hui.

En août 2001, le physicien Andreï Linde résume la situation de la théorie de l'Instanton avec le recul de son expérience et de son bagage de physicien^{[réf. nécessaire]} :

« Aucune bonne physique ne semble s'appliquer au poids de l'Instanton ; c'est plus une de ces histoires médiatiques qu'un réel succès de la physique. Hawking et Turok par exemple prédisent que l'Univers doit avoir une densité Omega W = 0.01, alors que des expériences récentes montrent que W = 1, juste comme la théorie inflationnaire le prédit ».

La plupart des physiciens considèrent que cette théorie ne représente pas encore la théorie ultime, la théorie de Tout. Les modèles de cette classe ont des mérites mais également des défauts. La théorie de Hawking-Turok suggère que l'univers serait l'ultime don de dame Nature, « l'ultime repas gratuit » comme aiment le dire les physiciens. Mais il est une question qui demeure dans tous les esprits : quelle cause a donné naissance à l'instanton ?

Nouvelle théorie sur les trous noirs

Stephen Hawking est sur le devant de la scène en juillet 2004 en présentant une nouvelle théorie sur les trous noirs qui va à l'encontre de sa propre ancienne théorie, perdant ainsi un pari que lui et Kip Thorne avaient fait avec John Preskill, un physicien des particules. Classiquement, on peut montrer que l'information qui passe par l’horizon d'un trou noir est perdue pour notre univers. Ce fait est connu sous le nom de théorème de calvitie. Le problème avec ce théorème est qu'il implique que le trou noir émet les mêmes radiations quelles que soient ce qui y rentre. Ainsi, si un état pur quantique est jeté dans un trou noir, un état mélangé en ressortira. Ceci va à l'encontre des règles de la mécanique quantique et est connu sous le nom de paradoxe de l’information perdue des trous noirs.

Hawking avait auparavant spéculé que la singularité au centre du trou noir pouvait former un pont vers un "bébé univers" dans lequel l'information perdue pouvait passer ; de telles théories sont très populaires dans la science-fiction. Mais d'après la nouvelle idée de Hawking, présentée à la 17^e Conférence Internationale sur la Relativité Générale et la Gravitation, le 21 juillet 2004 à Dublin, les trous noirs finissent par transmettre, de manière désordonnée, l'information de toute la matière qu'ils avalent.

Ayant conclu que l'information est conservée, Hawking concéde qu'il a perdu son pari, cédant à Preskill son encyclopédie Total Baseball, The Ultimate Baseball Encyclopedia. Toutefois, Thorne reste dubitatif de la démonstration de Hawking et refuse de contribuer à la récompense.

En Juillet 2005 l'annonce de Hawking a donné lieu à une publication dans la revue Physical Review et largement débattue dans la communauté scientifique.