Stephen Hawking - Définition

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 n'a jamais caché l'intérêt qu'il porte à l'univers de Star Trek. Il joue 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 et Albert Einstein. 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 Hawking

Au milieu des années 1960, 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. La réaction initiale de la communauté scientifique ne fut pas très positive.

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 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 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 évènements 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 isolé, 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 qu'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 ».

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 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, le D^r Dennis Sciama, juge « 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 quelconque tant que sa longueur d'onde 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, 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 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. 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, par analogie avec un hologramme qui concentre une information sur une image à trois dimensions, également sur une surface.

Les trous de ver

Schéma d'un trou de ver 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, 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 (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.

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 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 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 concède qu'il a perdu son pari, cédant à Preskill son encyclopédie. Toutefois, Thorne reste dubitatif vis-à-vis 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.