Stephen Hawking (1942-2018), le paradoxe d’une vie

En 1962, alors jeune chercheur, Stephen Hawking a été diagnostiqué comme souffrant de la Maladie de Charcot. C’est une maladie neurodégénérative qui va supprimer toutes les capacités musculaires. En 1962, les médecins lui ont dit qu’il avait 2 ans à vivre et il a donc trompé le pronostic de presque 54 ans. Stephen Hawking disait que depuis son diagnostic, tout ce qui arrivait était un bonus. Et quel bonus ! Les médias le connaissent surtout pour ses sorties humoristiques en mettant en avant son handicap, mais ses contributions scientifiques ont valu de nombreuses nuits blanches à des physiciens.

Relativité générale et Big Bang

Quand il a commencé sa carrière, Stephen Hawking voulait travailler avec Fred Hoyles, l’un des astrophysiciens les plus célèbres de son temps et qui était un farouche opposant à la théorie du Big Bang (c’est Hoyles qui a popularisé le terme de Big Bang pour s’en moquer dans une émission radio). N’ayant pas pu trouver de place avec Hoyles, Hawking va travailler avec Dennis Sciama qui voulait approfondir la théorie du Big Bang. Malgré un handicap croissant qui supprimera sa capacité musculaire et vocale, l’intellect de Hawking restera aiguisé jusqu’à sa mort.

Hawking est parti des travaux de Roger Penrose qui a prouvé la justesse de la relativité générale. Il avait démontré qu’au coeur d’un trou noir, le concept d’espace et de temps cessait d’exister pour former une singularité. Hawking a estimé que si la flèche du temps s’inversait dans un trou noir, alors on peut appliquer le même raisonnement à l’univers dans son ensemble d’où les hypothèses que l’univers s’est formé avec une singularité.

La singularité

Mais Hawking savait que la relativité générale n’était pas suffisante pour tout expliquer, car la mécanique quantique avait son mot à dire. De ce fait, Hawking a compris qu’il fallait avoir une gravitation quantique pour espérer atteindre une théorie du tout. Et comme Hawking a pu faire le parallèle entre le trou noir et le commencement de l’univers, l’astrophysicien a donné des pistes sur le fait que si on voulait comprendre la nature profonde de l’univers, alors il fallait regarder un trou noir. Jusqu’à sa mort, il a toujours défendu cette idée.

La clé de “tout” se trouve dans le trou noir

Et il faut considérer la situation de l’époque. Même si dès 1915, Karl Schwarzschild a trouvé le concept de trou noir dans les équations de la relativité générale, en 1970, les trous noirs étaient juste des anomalies mathématiques. Mais Hawking savait également le paradoxe de la seconde loi de la thermodynamique qui stipule que l’entropie ne peut qu’augmenter. Un oeuf qui casse ne peut jamais reprendre sa forme initiale avec la loi de l’entropie. Mais si rien ne peut s’échapper d’un trou noir, alors est-ce que l’entropie est également perdue et donc, un trou noir pourrait abriter toute l’entropie de l’univers ce qui violerait la seconde loi de la thermodynamique.

Une solution potentielle viendra de Jacob Bekenstein qui était un étudiant de Princeton en 1972. Il a considéré que l’entropie génère de la chaleur et que la chaleur émet un rayonnement. Un trou noir possède une zone appelée horizon des événements qui est le point de non-retour et Hawking a démontré que cet horizon des événements ne peut pas diminuer. Et quand la matière tombe dans un trou noir, l’horizon des événements s’agrandit. Bekenstein a proposé que pour résoudre le paradoxe de l’entropie, il fallait considérer l’horizon des événements comme une mesure de l’entropie. On peut dire que Hawking a craché sur l’idée dans un premier temps. L’entropie = chaleur = rayonnement, mais un trou noir n’émet pas de rayonnement.

Le rayonnement Hawking

Par la suite, Hawking va reconsidérer cette idée et ce sera sa majeure contribution à la physique avec le rayonnement Hawking. Hawking avait simplement considéré la relativité générale, mais il avait oublié la mécanique quantique. Et quand celle-ci entre en jeu, alors le rayonnement est possible. En mécanique quantique, une particule et son anti-particule apparaissent et disparaissent constamment du vide. À proximité d’un horizon des événements, une particule va apparaitre et tomber dans le trou noir tandis que l’autre va se barrer dans l’espace. Les particules orphelines sont repoussées des bords du trou noir sous forme de rayonnement et l’aspect aléatoire de la mécanique quantique devient celui de la chaleur.

Cela reste une prédiction théorique, mais c’est l’une des meilleures contributions où la relativité générale et la mécanique quantique peuvent se réunir sans déclencher une guerre de tranchées. On ne peut pas voir le rayonnement Hawking dans un trou noir stellaire, car la chaleur serait trop faible et c’est ce qui explique qu’il n’obtiendra jamais le prix Nobel. Le rayonnement Hawking peut exister dans ce qu’on appelle des micro-trous noirs à l’échelle d’un atome, mais on pense qu’ils n’existent pas.

L’équation Bekenstein-Hawking qui sera gravée sur la tombe de Stephen Hawking – Crédit : Wikimedia Commons

Sur sa tombe, Stephen Hawking a demandé à ce qu’on écrive l’équation Bekenstein-Hawking (celle du rayonnement Hawking). Cette équation est une tentative pour la théorie du Tout. Elle contient la constante de Newton concernant la gravitation, la constante de Planck qui concerne la mécanique quantique, la vitesse de la lumière qui est le diamant de la relativité restreinte et la constante de Boltzmann qui est le coeur de la thermodynamique. Les contributions de Hawking sont aussi importantes que controversées et on savait qu’il était têtu, car il refusait souvent de changer ses idées malgré la preuve du contraire, notamment sur la théorie des cordes.

Un homme, qui était condamné et qui pouvait à peine bouger, a provoqué des séismes sans précédent dans la physique théorique. Comme avec son oeuvre, Stephen Hawking a montré toute la justesse du concept de paradoxe.

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