Stephen Hawking - Définition et Explications

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Anecdotes

  • Hawking a affirmé qu'il serait « plus excitant » que le Large Hadron Collider échoue à trouver le boson de Higgs, dont la découverte est un des objectifs prioritaires, ce qui lui a valu un échange vif avec Peter Higgs, qui avait prédit l'existence de cette particule en 1964 [1].
  • Stephen Hawking (Stephen W. Hawking, CH, CBE, FRS, FRSA, est un physicien théoricien et cosmologiste anglais, né le 8 janvier 1942 à Oxford. Hawking a été professeur de mathématiques à l'Université...) n'a jamais caché l'intérêt qu'il porte à l'univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) de Star Trek. Il joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les mâchoires. On appelle aussi joue le muscle qui sert principalement à ouvrir...) son propre rôle dans le prologue de l'épisode « Descent, Part I » de la série Star Trek: The Next Generation, engagé dans une partie de poker avec Isaac Newton (Isaac Newton (4 janvier 1643 G – 31 mars 1727 G, ou 25 décembre 1642 J – 20 mars 1727 J) est un philosophe, mathématicien, physicien, alchimiste et astronome anglais. Figure...) et Albert Einstein (Albert Einstein (né le 14 mars 1879 à Ulm, Wurtemberg, et mort le 18 avril 1955 à Princeton, New Jersey) est un physicien qui fut successivement allemand, puis apatride (1896), suisse (1901),...). Dans l'épisode final de cette même série, le personnage de Data est titulaire de la chaire lucasienne, celle-là même qu'occupe Hawking à Cambridge, à la suite de Newton. Il est également amateur de la série britannique Red Dwarf, qu'il commente notamment dans un documentaire consacrée aux dix ans de cette série.
  • La série Masters of Science Fiction est présentée oralement par Stephen Hawking.
  • Stephen Hawking a préfacé l'ouvrage : La physique de Star Trek, ou comment visiter l'univers en pyjama de Lawrence M. Krauss.

Résumé succinct de ses recherches

La radiation (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se produire par rayonnement électromagnétique (par exemple : infrarouge) ou par une...) Hawking

Au milieu des années 1960, alors qu'il poursuit ses études de physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la science analysant les constituants fondamentaux de...) en vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) d'obtenir son doctorat (Le doctorat (du latin doctorem, de doctum, supin de docere, enseigner) est généralement le grade universitaire le plus élevé. Le titulaire de ce...), Hawking démontre que la théorie de la relativité (Cet article traite de la théorie de la relativité à travers les âges. En physique, la notion de relativité date de Galilée. Les travaux d'Einstein en ont fait un important champ d'étude, tant...) générale d'Einstein implique que l'espace et le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) ont eu un commencement, le Big Bang (Le Big Bang est l’époque dense et chaude qu’a connu l’univers il y a environ 13,7 milliards d’années, ainsi que l’ensemble des modèles...), 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, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.), le rayonnement Hawking. La réaction initiale de la communauté scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.) ne fut pas très positive.

La radiation Hawking correspond à un rayonnement de corps noir (En physique, un corps noir désigne un objet idéal dont le spectre électromagnétique ne dépend que de sa température. En pratique, un tel objet...), est émise dans toutes les directions et conduit à deux conclusions :

  • d'une part, ce rayonnement renverse la définition (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la division entre les définitions réelles et les définitions nominales.) même du trou noir (En astrophysique, un trou noir est un objet massif dont le champ gravitationnel est si intense qu’il empêche toute forme de matière ou de rayonnement de s’en échapper (à l'exception...) puisque dans ce cas-ci, il libère des particules dans l'espace ;
  • d'autre part, ce phénomène conduit finalement à son évaporation (L'évaporation est un passage progressif de l'état liquide à l'état gazeux. Elle est différente de l'ébullition qui est une transition rapide. C'est un changement d'état...) quantique et sa disparition dans un intense flash d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) pure.

Les mini (MINI est une marque automobile de BMW Group. L'ancien modèle Mini était construit par MG Rover.) trous 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 (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la...) d’environ 109 tonnes et de la taille d'un proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire positive.) ainsi que des trous noirs plus massifs et de la taille d'une montagne (Une montagne est une structure topographique significative en relief positif, située à la surface d'astres de type tellurique (planète tellurique, satellites comme la Lune), et faisant...). Des trous noirs aussi massifs que dix millions de masses solaires pourraient également résider au centre des galaxies (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec ce titre elle a connu deux existences, prenant par ailleurs la suite de deux autres Galaxie, cette fois...), ce qui expliquerait l'intense énergie émise par les radiogalaxies et les quasars.

L'entropie (En thermodynamique, l'entropie est une fonction d'état introduite en 1865 par Rudolf Clausius dans le cadre du deuxième principe, d'après les travaux de Sadi Carnot. Clausius a montré que le rapport Q / T (où Q est la...) des trous noirs

Trou noir : vue d'artiste (Est communément appelée artiste toute personne exerçant l'un des métiers ou activités suivantes :)

Mais à force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les articles « force (vertu) »...) de calculs, il découvre également qu'en appliquant les lois de la physique quantique à la cosmologie (La cosmologie est la branche de l'astrophysique qui étudie l'Univers en tant que système physique.), il peut déterminer la dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si c'est une...) des singularités, ces « points de densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le...) et de courbure (Intuitivement, courbe s'oppose à droit : la courbure d'un objet géométrique est une mesure quantitative du caractère « plus ou moins courbé » de cet objet. Par exemple :) d'espace-temps (La notion d'espace-temps a été introduite au début des années 1900 et reprise notamment par Minkowski en 1908 dans un exposé mathématique sur la...) infinis » prédits par la relativité générale (La relativité générale, fondée sur le principe de covariance générale qui étend le principe de relativité aux référentiels non-inertiels, est...) et que l'on ne peut pas traiter mathématiquement. Il réalise que l'horizon (Conceptuellement, l’horizon est la limite de ce que l'on peut observer, du fait de sa propre position ou situation. Ce concept simple se décline en physique, philosophie, littérature, et bien...) des évènements des trous noirs (la limite sous laquelle rien ne peut s'échapper) ne peut pas diminuer lorsqu'il attire de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide,...). Si on prend une analogie avec la thermodynamique (On peut définir la thermodynamique de deux façons simples : la science de la chaleur et des machines thermiques ou la science des grands systèmes en équilibre. La première définition est aussi...) dit-il, c'est exactement ce que dit la deuxième loi de la thermodynamique : « dans un système isolé, l'entropie (son degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines suivants :) de désordre) ne peut pas décroître ». D'autres disent plus simplement que le chaos augmente. Dans une singularité (D'une manière générale, le mot singularité décrit le caractère singulier de quelque chose ou de quelqu'un. En particulier, le terme est employé dans les domaines suivants :), le système thermodynamique est totalement désordonné car le tenseur (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 (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et...) de Princeton lui répond qu'il ne s'agit pas seulement d'une analogie, l'horizon des événements (L'horizon des événements est constitué par la région de l'espace-temps dans laquelle un événement peut-être perçu par un observateur.) représente la mesure de l'entropie du trou noir. Il s'ensuit un échange d'arguments par articles interposés jusqu'à ce qu'Hawking lui fasse remarquer que si un trou noir présente une entropie, il a donc aussi une température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant du...), 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 (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) 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 (Plie [pli] est un nom vernaculaire ambigu désignant en français des poissons plats. Le terme « plie » désigne principalement, en France et en Belgique,...) à contrecœur, disant que c'est « fondamentalement exact mais d'une manière à laquelle je ne m'attendais certainement pas ».

Plus tard, Hawking aborde cette question avec moult détails dans la première version de son livre « Trous noirs et bébés univers », puis il supprime ce passage et se contente d'indiquer que Jacob Bekenstein lui a fait une « suggestion cruciale ». On lui attribue la volonté de tourner la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur...) de Berkenstein en dérision (en la traitant de « scandaleuse » ou d'« insensée ») pour accroître la valeur de ses propres résultats. Même son directeur de thèse (Un chercheur qui supervise le travail d'un doctorant est appelé directeur de thèse (au féminin, directrice ou directeur).), le Dr Dennis Sciama, juge (Le juge peut être un professionnel du droit, désigné ou élu pour exercer son office. Il peut également être un simple citoyen appelé temporairement...) « 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 (Le Trou noir (The Black Hole) est un film de science-fiction réalisé par Gary Nelson, produit par la Walt Disney Pictures et sorti en 1979. L'histoire est...). La particule émise peut être quelconque tant que sa longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de...) est supérieure au quart de la circonférence du trou noir (celle de l'horizon des évènements). En fait, en absorbant tout jusqu'à la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est...), 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 ceci n'étant qu'une solution théorique tirée de ses calculs, il fait le pari avec Kip Thorne (Kip Stephen Thorne (né le 1er juin 1940) est un physicien théoricien américain, connu pour ses contributions prolifiques dans le domaine de la gravitation, de la physique et de...) contre John Preskill que les trous noirs constituent la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) terminale de l'univers et emprisonnent à jamais tout ce qui passe à leur proximité sans libérer la moindre information. Le 21 juillet 2004, il admet avoir perdu son pari et admet, avec Leonard Susskind, que l'information apparemment captive pourrait rester concentrée sur l'horizon d'un trou noir, donc sur une surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique,...), par analogie avec un hologramme (L'hologramme est le produit de l'holographie. Il s'agit historiquement d'un procédé de photographie en relief. Aujourd'hui, un hologramme représente...) qui concentre une information sur une image à trois dimensions, également sur une surface.

Les trous de ver (Les vers constituent un groupe très hétérogène d'animaux invertébrés qui partagent une caractéristique commune, à savoir un corps mou, flexible, de forme allongée et ne comportant aucune...)

Schéma d'un trou de ver (À partir des équations de la relativité générale, en 1935 Einstein et Rosen découvraient que les singularités de l'espace-temps formaient en réalité...) de masse négative

Hawking décrit également les « trou de ver » (wormholes), des fluctuations quantiques dans l'espace-temps qui, à l'image des tunnels, permettent de prendre des raccourcis dans l'espace-temps. Cette théorie est reprise et vulgarisée par les médias (On nomme média un moyen impersonnel de diffusion d'informations (comme la presse, la radio, la télévision), utilisé pour communiquer. Les médias permettent de diffuser une information vers un grand nombre d'individus sans...), 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. Hawking propose (ceci n'étant pas déduit d'un principe physique fondamental) la conjecture (En mathématiques, une conjecture est une assertion qui a été proposée comme vraie, mais que personne n'a encore pu démontrer ou réfuter.) (le théorème) d'un univers sans bord (no-boundary) qui n'aurait pas de frontière (Une frontière est une ligne imaginaire séparant deux territoires, en particulier deux États souverains. Le rôle que joue une frontière peut fortement varier suivant les...), prenant naissance dans un temps imaginaire pour éviter l'écueil des infinis et des instants zéro (Le chiffre zéro (de l’italien zero, dérivé de l’arabe sifr, d’abord transcrit zefiro en italien) est un symbole marquant une position vide dans l’écriture des nombres en notation...) 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.

La théorie de l'inflation

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 (Un théorème est une proposition qui peut être mathématiquement démontrée, c'est-à-dire une assertion qui peut être établie comme vraie au travers d'un raisonnement logique construit à partir d'axiomes. Un...) de calvitie. Le problème avec ce théorème est qu'il implique que le trou noir émet les mêmes radiations quel que soit 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 (La mécanique quantique est la branche de la physique qui a pour but d'étudier et de décrire les phénomènes fondamentaux à l'œuvre dans les systèmes physiques, plus particulièrement à...) et est connu sous le nom de paradoxe (Un paradoxe est une proposition qui contient ou semble contenir une contradiction logique, ou un raisonnement qui, bien que sans faille apparente, aboutit à une...) de l’information perdue des trous noirs.

Hawking avait auparavant spéculé que la singularité au centre du trou noir pouvait former un pont (Un pont est une construction qui permet de franchir une dépression ou un obstacle (cours d'eau, voie de communication, vallée, etc.) en passant par-dessus cette...) vers un « bébé univers » dans lequel l'information perdue pouvait passer ; de telles théories sont très populaires dans la science-fiction (La science-fiction, prononcée /sjɑ̃s.fik.sjɔ̃/ (abrégé en SF), est un genre narratif (principalement littéraire et cinématographique)...). Mais d'après la nouvelle idée de Hawking, présentée à la 17e Conférence internationale sur la relativité générale et la gravitation (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.), 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 concède qu'il a perdu son pari, cédant à Preskill son encyclopédie. Toutefois, Thorne reste dubitatif vis-à-vis de la démonstration (En mathématiques, une démonstration permet d'établir une proposition à partir de propositions initiales, ou précédemment...) 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.

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