Stephen Hawking nous a quittés mi-mars 2018 à l'âge de 76 ans. De nombreux articles ont déjà été écrits sur lui, sans exclure mes travaux récents:
Commençant à écrire les articles mentionnés, je suis tombé sur le matériel suivant que j'ai écrit il y a plusieurs années, qui décrit le patrimoine scientifique de Stephen Hawking. Un magazine l'a sollicitée lorsque Hawking est tombé malade, et tout le monde pensait qu'il mourrait - ce n'était pas la première fois, et chaque fois que tout le monde se trompait. Je suis sûr que cet article n'a jamais été publié, alors le voici!
L'héritage scientifique de Stephen Hawking
Stephen Hawking est un rare exemple de scientifique qui est à la fois une célébrité et un phénomène culturel. Mais il est aussi un rare exemple de phénomène culturel à la renommée bien méritée. Ses contributions peuvent être décrites très simplement: Hawking a apporté plus de contributions à notre compréhension de la gravité que n'importe quel physicien depuis Albert Einstein.
Et le mot «gravité» est très important ici. Pendant une grande partie de la carrière de Hawking, les physiciens théoriciens étaient généralement plus intéressés par la physique des particules et d'autres forces de la nature - l'électromagnétisme et les interactions nucléaires fortes et faibles. La gravité «classique», qui ignorait les complexités de la mécanique quantique, a été entièrement décrite par Einstein dans sa théorie générale de la relativité, et la gravité «quantique» (la version quantique de la théorie générale de la relativité) semblait trop compliquée. Appliquant son incroyable intelligence à la force de la nature la plus connue, Hawking a pu produire plusieurs résultats qui ont grandement surpris toute la communauté.
Sans aucun doute, le résultat le plus important du travail de Hawking a été de comprendre que les trous noirs ne sont pas complètement noirs - ils émettent, comme des objets ordinaires. Avant ces travaux, il a démontré des théorèmes importants sur la BH et les singularités, puis il a étudié l'Univers dans son ensemble. À chaque étape de sa carrière, il a apporté l'une ou l'autre contribution clé à la science.
Période classique
Tout en travaillant sur sa thèse de doctorat à Cambridge au milieu des années 1960, Hawking s'est intéressé aux questions de l'origine et du destin final de l'univers. Un outil approprié pour étudier ce problème était GR, la théorie d'Einstein de l'espace, du temps et de la gravité. Selon la relativité générale, ce que nous percevons comme la gravité est le reflet de la courbure de l'espace-temps. Comprenant comment la courbure est créée par la matière et l'énergie, nous pouvons prédire l'évolution de l'univers. Cela peut être dit comme la période "classique" de Hawking, afin de contraster la relativité générale classique et ses études ultérieures dans le domaine de la théorie quantique des champs et de la gravité quantique.
À la même époque, Roger Penrose d'Oxford a réalisé une preuve remarquable: selon GTR, dans un très large éventail de conditions, l'espace et le temps s'effondreront vers l'intérieur et formeront une singularité. Si la gravité est la courbure de l'espace-temps, alors la singularité est un tel point dans le temps auquel cette courbure devient infiniment grande. Le théorème a montré que les singularités n'étaient pas seulement des merveilles; ils sont une propriété importante de GR.
Le résultat de Penrose a été appliqué aux trous noirs - des sections d'espace-temps dans lesquelles le champ gravitationnel s'avère si fort que même la lumière ne peut pas s'échapper de là. Dans le trou noir du futur, il y a une singularité. Hawking a pris l'idée de Penrose et l'a retournée, l'envoyant dans le passé de l'Univers. Il a montré que dans les mêmes conditions générales, l'espace était censé émerger d'une singularité: le Big Bang. Les cosmologistes modernes disent (et confondent tout le monde) à la fois sur le modèle du Big Bang, qui est une théorie très réussie qui décrit l'évolution d'un univers en expansion sur des milliards d'années, et sur la singularité du Big Bang, dont nous ne pouvons pas encore nous vanter d'une compréhension.
Hawking tourna alors son attention vers les trous noirs. Un autre résultat intéressant des calculs de Penrose a été que l'énergie peut être extraite d'un trou noir en rotation, extrayant essentiellement l'énergie de sa rotation jusqu'à son arrêt. Hawking a pu montrer que, bien qu'il soit possible d'extraire de l'énergie, la région de l'horizon des événements entourant le BH augmentera dans tous les processus physiques. Ce «théorème des aires» était important à la fois en lui-même et par rapport à un domaine de la physique complètement différent: la thermodynamique étudiant le transfert de chaleur.
La thermodynamique obéit à un ensemble de lois célèbres. Par exemple, la première loi dit que l'énergie est conservée et la seconde que l'entropie - une mesure du désordre de l'univers - dans un système fermé ne diminue jamais. En collaboration avec
James Bardin et
Brandon Carter , Hawking a proposé un ensemble de lois de «mécanique des trous noirs» similaires à la thermodynamique. Comme en thermodynamique, la première loi de la mécanique BH garantit la conservation de l'énergie. La deuxième loi, le théorème de Hawking Square, suggère que l'aire de l'horizon des événements ne diminue jamais. En d'autres termes, l'aire de l'horizon des événements BH est très similaire à l'entropie d'un système thermodynamique - elle augmente avec le temps.
Évaporation du trou noir
Hawking et ses collègues étaient à juste titre fiers des lois de la mécanique BH, mais ils les considéraient comme une simple analogie formelle et non comme un lien littéral entre la gravité et la thermodynamique. En 1972,
Jacob Beckenstein , diplômé de l'Université de Princeton, a suggéré qu'il y avait plus. Sur la base d'expériences de pensée brillantes, il a suggéré que le comportement BH n'est pas seulement similaire à la thermodynamique, c'est la thermodynamique. En particulier, BH a l'entropie.
Comme beaucoup d'idées audacieuses, cette idée a rencontré la résistance d'experts - et à ce moment, Stephen Hawking était l'expert mondial de la BH. Hawking était sceptique à son égard, et pour cause. Si la mécanique du BH s'avérait être une forme de thermodynamique, cela signifierait que le BH a une température. Et des objets avec température émettent - le fameux "rayonnement du corps noir", qui a joué un rôle central dans le développement de la mécanique quantique. Donc, si Bekenshtein avait raison, cela signifierait que le trou noir n'est pas vraiment noir (bien que Bekenshtein lui-même ne soit pas allé aussi loin dans ses déclarations).
Pour aborder sérieusement ce problème, il est nécessaire d'étendre l'attention au-delà des limites de la relativité générale, car la théorie d'Einstein est purement «classique» - elle n'inclut pas les idées de la mécanique quantique. Hawking savait que les physiciens russes
Alexei Starobinsky et
Yakov Zeldovich étudiaient les effets quantiques près des trous noirs et
prédisaient un tel effet comme une "superradiation". Tout comme Penrose a montré que l'énergie peut être extraite d'un trou noir en rotation, Starobinsky et Zeldovich ont montré que les trous noirs en rotation peuvent émettre spontanément un rayonnement en raison des effets de la mécanique quantique. Hawking n'était pas un expert des techniques de la théorie quantique des champs, car à cette époque, les experts en physique des particules, et non en relativité générale, comprenaient ce domaine. Mais il étudia rapidement et se jeta sur la tâche difficile de comprendre les aspects quantiques de la BH afin de trouver une erreur de Bekenstein.
Au lieu de cela, il s'est surpris et, ce faisant, a bouleversé la physique théorique. Il a constaté que Bekenstein avait raison - BH a l'entropie - et que les conséquences incroyables de cette idée étaient également vraies - les trous noirs ne sont pas complètement noirs. Aujourd'hui, nous appelons cette propriété BH «entropie Beckenstein-Hawking» et ils émettent un «rayonnement Hawking» à leur «température Hawking».
«Sur les doigts», nous pouvons comprendre le rayonnement de Hawking comme suit. La mécanique quantique dit (entre autres) qu'un système ne peut pas être amené de force à un certain état classique; il y a toujours une incertitude interne dans ce que vous voyez quand vous le regardez. Cela est vrai même pour un espace vide - si vous regardez assez attentivement, ce qui semblait être un espace vide sera rempli de "particules virtuelles" qui apparaissent et disparaissent constamment. Hawking a montré que près de la BH, une paire de particules virtuelles peut se séparer, et l'une d'elles tombera dans la BH, et l'autre s'enfuira sous forme de rayonnement. Il est surprenant que, du point de vue d'un observateur externe, une particule tombant vers l'intérieur ait une énergie négative. En conséquence, le rayonnement enlève progressivement la masse du BH - et il s'évapore.
Le résultat de Hawking a eu un impact évident et remarquable sur notre compréhension de BH. Au lieu de devenir une impasse cosmique dans laquelle la matière et l'énergie disparaissent à jamais, ils se sont avérés être des objets dynamiques qui disparaissent tôt ou tard complètement. Plus importante pour la physique théorique, cette découverte a soulevé une question à laquelle nous n'avons toujours pas de réponse: lorsque la matière tombe dans le trou noir puis que le trou noir disparaît complètement, où vont les informations?
Si vous prenez l'encyclopédie et la jetez au feu, vous pouvez considérer que les informations qu'elle contient ont disparu pour toujours. Mais selon les lois de la mécanique quantique, elle n'a disparu nulle part; si vous pouviez attraper toutes les particules de lumière et de cendres émergeant du feu, en principe, vous pourriez recréer avec précision tout ce qui est tombé dans le feu - même les pages du livre. Mais BH, si vous acceptez le résultat de Hawking, tel quel, détruisez complètement les informations - du moins du point de vue du monde extérieur. Cette énigme est appelée le «paradoxe de l'information» et tourmente les physiciens depuis des décennies.
Ces dernières années, les progrès dans la compréhension de la gravité quantique (au niveau des expériences de pensée) ont convaincu un nombre croissant de personnes que les informations sont stockées. En 1997, Hawking s'est disputé avec les physiciens américains Kip Thorne et John Preskil; Hawking et Thorne ont déclaré que les informations étaient détruites, Presquil a déclaré que les informations étaient stockées. En 2007, Hawking a succombé et a admis que les BH ne détruisaient pas vraiment les informations. Cependant, Thorne n'a pas abandonné, et Preskill lui-même pense que cette conclusion était prématurée. Le rayonnement BH et l'entropie restent au cœur de la quête d'une meilleure compréhension de la gravité quantique.
Cosmologie quantique
Le travail de Hawking sur le rayonnement BH était basé sur un mélange d'idées quantiques et classiques. Dans son modèle, BH est évalué du point de vue classique, selon les règles de la relativité générale. Dans ce cas, les particules virtuelles proches du BH sont estimées selon les règles de la mécanique quantique. Le but ultime de nombreux physiciens théoriciens est de construire une véritable théorie de la gravité quantique dans laquelle l'espace-temps lui-même ferait partie d'un système quantique.
Et s'il y a un endroit où la mécanique quantique et la gravité jouent un rôle crucial, alors c'est le début de l'univers. Et c'est précisément cette question, qui n'est pas surprenante, que Hawking a consacré la dernière partie de sa carrière. Et avec cela, il a approuvé un plan de travail pour un projet physique ambitieux pour comprendre les origines de l'univers.
En mécanique quantique, un système n'a ni emplacement ni vitesse; son état est décrit par la «fonction d'onde», qui nous indique la probabilité que, lors de la mesure du système, nous obtenions un certain emplacement ou une certaine vitesse. En 1983, Hawking et James Hartle ont publié une œuvre sous le simple titre: «La fonction d'onde de l'univers». Ils ont proposé une procédure simple, basée sur laquelle - en principe! - Il serait possible de calculer l'état de l'Univers entier. Nous ne savons pas si la fonction d'onde de Hartle-Hawking est en fait une description correcte de l'univers. Comme nous n'avons pas de théorie complète de la gravité quantique, nous ne savons même pas si une telle procédure est significative. Mais leurs travaux ont montré que nous pouvons parler du tout début de l'existence de l'Univers en termes scientifiques.
L'étude des origines de l'univers offre la possibilité de combiner la gravité quantique avec des caractéristiques observables de l'univers. Les cosmologistes pensent que de minuscules changements dans la densité de la matière depuis les temps les plus reculés se sont progressivement développés dans la distribution des étoiles et des galaxies que nous observons aujourd'hui. Une théorie complète de l'origine de l'Univers pourrait prédire ces changements, et la mise en œuvre de ce programme est l'une des principales occupations des physiciens modernes. Hawking a apporté plusieurs contributions à ce programme, à la fois du côté de sa fonction d'onde de l'Univers, et dans le contexte du modèle «Univers inflationniste» proposé par Alan Gut.
Le simple fait de parler de l'origine de l'univers est une action provocatrice. Elle fait naître l'espoir que la science sera en mesure de fournir une description complète et autosuffisante de la réalité - et un tel espoir dépasse le cadre de la science et se retrouve dans le domaine de la philosophie et de la théologie. Hawking, qui a toujours aimé les provocations, n'a jamais hésité à de telles conséquences. Il aimait à rappeler la conférence sur la cosmologie tenue au Vatican, au cours de laquelle le pape Jean-Paul II aurait demandé aux savants réunis de ne pas se plonger dans l'origine de l'univers, "car c'était un moment de création, et donc l'œuvre des mains de Dieu". Mais de tels avertissements n'ont jamais arrêté Hawking; il a vécu sa vie dans une recherche incessante de réponses aux questions scientifiques les plus fondamentales.