Stephen William Hawking, né le
8 janvier 1942 à
Oxford, est un
physicien théoricien et
cosmologiste britannique.
Hawking a été
professeur de mathématiques à l'université de Cambridge de 1980 à 2009
1, membre de
Gonville and Caius College, Cambridge et chercheur distingué du
Perimeter Institute for Theoretical Physics2. Il est connu pour ses contributions dans les domaines de la
cosmologie et la
gravité quantique, en particulier dans le cadre des
trous noirs. Il a également eu du succès avec ses œuvres de
vulgarisation scientifique dans lesquelles il discute de ses propres théories et de la cosmologie en général, comme le best-seller
A Brief History of Time, qui est resté sur la liste des records des bestsellers du
Sunday Times pendant 237 semaines consécutives
3. Hawking souffre d'une
dystrophie neuromusculaire qui est attribuée à une
sclérose latérale amyotrophique (SLA) ; sa maladie a progressé au fil des ans et l'a laissé presque complètement paralysé.
La clé des principaux travaux scientifiques d'Hawking à ce jour est fondée, en collaboration avec
Roger Penrose, sur l'élaboration des
théorèmes des
singularités dans le cadre de la
relativité générale, et la prédiction théorique que les
trous noirs devraient émettre des
radiations, aujourd'hui connues sous le nom de
radiations d'Hawking (ou parfois radiations de
Bekenstein-Hawking)
4. C'est un physicien théoricien de renommée mondiale dont la carrière scientifique s'étend sur plus de 40 ans. Ses livres et ses apparitions publiques ont fait de lui une célébrité
universitaire. Il est membre honoraire de la
Royal Society of Arts5 et membre à vie de l'
Académie pontificale des sciences6.
En 1981, il est lauréat de la
médaille Franklin. L'
astéroïde (7672) Hawking a été nommé en son honneur.
Biographie
Stephen Hawking est né le 8 janvier 1942. Il est le fils du Dr Frank Hawking, un chercheur
biologiste, et d'Isobel Hawking, une militante
politique. Il a deux jeunes sœurs, Marie et Philippa et un frère adoptif, Edward
7. Les parents vivaient dans le nord de Londres jusqu'au jour où ils ont déménagé à Oxford, Isobel était alors enceinte de Stephen, et ils désiraient un endroit plus sûr pour la naissance de leur premier enfant (Londres
était attaquée par la
Luftwaffe)
8. Selon l'une des publications de Hawking, un
missile V-2 a explosé à quelques rues de l'endroit où ils étaient
9.
Après la naissance de Stephen, la famille part s'installer à
Londres, où son père dirige la division de
parasitologie de l'Institut national de la recherche
médicale7.
En 1950, toute la famille déménage à
St Albans dans le
Hertfordshire. C'est à l'école de cette ville qu'il poursuit sa scolarité de 1950 à 1953. Si Stephen est un bon élève, il n'est pas un élève exceptionnel
7. Lorsque, plus tard, on l’interrogea pour savoir s’il y avait un professeur qui l’avait inspiré, il nomma son professeur de mathématiques, Dikran Tahta
10. Il conservera un lien affectif si fort avec cette école qu'il donnera même son nom à l'une de ses quatre maisons, ainsi qu'à une série de conférences scientifiques extrascolaires.
Hawking a toujours été intéressé par la science
7. Il s'inscrit à l'
université d'Oxford, avec l'intention d'étudier les
mathématiques, bien que son père eût préféré qu'il aille en médecine. Étant donné que les mathématiques n'étaient pas proposées, Hawking choisit alors la
physique. Ses intérêts au cours de cette période sont la
thermodynamique, la
relativité et la
mécanique quantique. Son professeur de physique, Robert Berman, déclara plus tard dans le New York Times Magazine :
« Il est uniquement nécessaire pour lui de savoir que quelque chose peut être fait, et il peut alors le faire sans chercher à voir comment d'autres personnes l'ont fait. [...] Il n'a pas eu un grand nombre de livres, et il n'a pas pris de notes. Bien entendu, son esprit est complètement différent de ceux de ses contemporains.
7 »
Hawking arriva alors à un examen final d'évaluation à la frontière entre la première et la seconde classe d'honneur, un examen oral. Berman a dit de l'examen oral :
« Et bien sûr, les examinateurs ont été assez intelligents pour réaliser qu'ils parlaient à quelqu'un de plus intelligent que la plupart d'entre eux
7. »
Après avoir obtenu son diplôme B.A. à Oxford en 1962, il est resté pour étudier l'
astronomie. Il a décidé d'arrêter quand il trouva que l'étude des
taches solaires ne l'attirait pas et qu'il était plus intéressé par la théorie que par l'observation
7. Il a quitté Oxford, avec les honneurs, pour
Trinity Hall où il a participé à l'étude de l'astronomie théorique et la cosmologie théorique.
Presque dès son arrivée à Cambridge, il a commencé à développer les symptômes de la
sclérose latérale amyotrophique (appelée familièrement aux États-Unis la maladie de
Lou Gehrig et en France la
maladie de Charcot), une maladie des
neurones moteurs qui lui a enlevé presque tout contrôle neuromusculaire. Au cours de ses deux premières années à Cambridge, il ne s'est pas distingué, mais, après la stabilisation de sa maladie et avec l'aide de son tuteur de doctorat,
William Dennis Sciama, il est retourné travailler sur sa
thèse de doctorat7. Il a révélé qu'il ne voyait pas beaucoup l'intérêt d'obtenir un doctorat s'il devait mourir bientôt. Hawking a déclaré plus tard que le véritable tournant a été son mariage avec Jane Wilde en 1965, une étudiante en langue
7. Après avoir obtenu son doctorat, Stephen est devenu chercheur à
Gonville and Caius College (Cambridge). L'étude des singularités, concept physique et astronomique récent, permet au chercheur de développer différentes théories, qui le mèneront plus tard du
Big Bang aux
trous noirs.
Hawking a été l'un des plus jeunes membres élu de la
Royal Society en 1974, a été fait commandeur de l'
ordre de l'Empire britannique en 1982, et est devenu
Compagnon d'Honneur en 1989. Hawking est un membre du Conseil des auteurs de "The Bulletin of the Atomic Scientists".
Les travaux de Hawking ont été réalisés en dépit de l'aggravation de la paralysie causée par la
SLA. En 1974, il est devenu incapable de se nourrir ou de sortir du lit par lui-même, tandis que son élocution était fortement altérée par sa maladie, de sorte que seules les personnes le connaissant bien pouvaient encore le comprendre. En 1985, il a contracté une
pneumonie et a dû subir une
trachéotomie, ce qui l'a rendu définitivement incapable de parler. Un scientifique de Cambridge a construit un dispositif permettant à Hawking d'écrire sur un ordinateur avec de petits mouvements de son corps, tandis qu'un
synthétiseur vocal parle pour lui, lisant ce qu'il vient de taper
11.
Jane Hawking (née Wilde), la première femme de Hawking, a pris soin de lui, jusqu'en 1991, lorsque le couple s'est séparé. Ils ont eu trois enfants : Robert (1967),
Lucy (1969), et Timothy (1979). Hawking s'est marié à son infirmière, Elaine Mason (qui a déjà été mariée à David Mason, le concepteur de la première version de l'ordinateur parlant d'Hawking), en 1995. En octobre 2006, Hawking a demandé le divorce de sa seconde épouse
12.
En 1999, Jane Hawking a publié un mémoire, Music to Move the Stars, détaillant sa propre relation à long terme avec un ami de la famille avec lequel elle se mariera plus tard. La fille de Hawking,
Lucy, est une
romancière. Leur fils aîné, Robert, émigre aux
États-Unis, se marie, et a un enfant, George Edward Hawking.
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, visant à unifier les quatre forces physiques, est au centre des recherches actuelles de Hawking. Le but est de démontrer que l'Univers peut être décrit par un modèle mathématique stable, déterminé par les lois physiques connues, en vertu du principe de croissance finie mais non bornée, modèle auquel Hawking a donné beaucoup de crédit.
Son handicap lourd ne saurait expliquer à lui seul le grand succès de ses recherches ; Hawking a cherché à vulgariser son travail, et son livre
Une brève histoire du temps est l'un des plus grands succès de littérature scientifique. En 2001, paraît son deuxième ouvrage,
L'univers dans une coquille de noix qui vulgarise le dernier état de ses réflexions, en abordant la supergravité et la supersymétrie, la théorie quantique et théorie-M, l'holographie et la dualité, la théorie des supercordes et des p-branes, etc. Il s'interroge également sur la possibilité de voyager dans le temps et sur l'existence d'univers multiples. En 2007, il écrit un livre, avec sa fille,
Georges et les secrets de l'univers, premier tome de la trilogie qu'il écrira avec elle.
Recherches
Les principaux domaines de recherches de Hawking sont la
cosmologie et la
gravité quantique.
À la fin des années 1970, lui et son ami et collègue de Cambridge, Roger Penrose, ont appliqué un nouveau modèle mathématique complexe, qu'ils ont créé à partir de la théorie d'Albert Einstein sur la
relativité générale13. Cela a conduit Hawking à prouver en 1970 le premier de nombreux
théorèmes sur les singularités ; tels les théorèmes capables de fournir un ensemble de conditions suffisantes à l'existence d'une singularité dans l'
espace-temps. Ce travail a montré que, loin d'être une curiosité mathématique qui ne figure que dans des cas particuliers, les singularités sont assez génériques dans la
relativité générale14.
Résumé succinct de ses recherches
La radiation Hawking[
modifier]
Article détaillé :
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, elle 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
protonainsi 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
Article détaillé :
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 Bekenstein en dérision (en la traitant de « scandaleuse » ou d'« insensée ») pour accroître la valeur de ses propres résultats. Même son
directeur de thèse, le Dr 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
Article détaillé :
Théorème de calvitie.
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 pensait 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
15.
Schéma d’un
trou de ver de masse négative
Les trous de ver[
modifier]
Article détaillé :
Trou de ver.
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 ne soit 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[
modifier]
Article détaillé :
Flèche du temps.
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.
