Une brève histoire de Stephen Hawking

C’est sans doute l’un des astrophysiciens qui aura le plus marqué l’histoire scientifique. Véritable star de la physique, Stephen Hawking était connu dans le monde entier pour son travail de recherche et de vulgarisation scientifique mais aussi pour sa maladie qui l’empêchait de parler et de se déplacer.

Parfois placé au même rang qu’Einstein ou Newton, Hawking n’a pourtant jamais été récompensé d’un Prix Nobel. Cette récompense, véritable Graal pour les chercheurs, demande une vérification des découvertes par le biais d’expériences. Or l’évaporation des trous noirs, principale découverte de Hawking, n’a encore jamais pu être totalement prouvée.

En réalité, le génie d’Hawking aura été de faire progresser plusieurs champs théoriques très différents, mais tout aussi fondamentaux : la gravitation, la cosmologie, la physique quantique, la thermodynamique et l’informatique.

Pas de Prix Nobel, mais un parcours universitaire exemplaire

« Tout ce que je voulais faire c’est des maths, des maths, encore des maths et de la physique ». Voilà comment Hawking résumait son goût pour les sciences.

Né à Oxford, c’est dans la célèbre université de la ville qu’il obtiendra un diplôme en sciences naturelles en 1962. Hawking estimera d’ailleurs lui-même avoir étudié pendant plus de 1000 heures au cours de ses trois années passées à Oxford. C’est alors qu’il commence à s’intéresser à l’astronomie. Pas particulièrement attiré par l’observation, il se passionne très vite pour la théorie.

Son parcours universitaire remarquable l’emmène à Cambridge où il rendra une thèse avec les honneurs. Il y enseignera ensuite les mathématiques à partir de 1980 et pendant près de 30 ans.

Un handicap lourd, mais un humour au service de la vulgarisation

A son arrivée à Cambridge, Stephen Hawking commence à développer les symptômes de la malade de Charcot. Cette sclérose endommage les neurones moteurs, ce qui a pour conséquence une paralysie quasi totale. Incapable de se déplacer, il perd aussi l’usage de la parole en 1985 suite à une opération destinée à soigner une pneumonie.

Pleinement engagé dans la recherche contre cette maladie, Stephen Hawking utilisera un certain nombre de mécanismes ingénieux pour continuer à s’exprimer et à travailler. Depuis 2013, il utilise un système de reconnaissance faciale qui détecte les mouvements des joues et des sourcils pour saisir sur un ordinateur ce qu’il souhaite exprimer. Une drôle de voix synthétique, qu’il a lui-même choisi et n’a jamais voulu changé, retranscrit ensuite ses propos.

Les gens qui l’on côtoyé racontent tous à quel point le physicien britannique était drôle. Son sens de l’humour lui vaudra d’ailleurs une apparition dans Les Simpsons, un épisode dans lequel il jouera son propre rôle et acceptera de prêter sa voix robotique. Véritable vecteur de savoir, l’humour permet aussi d’expliquer des faits complexes de manière beaucoup plus ludique.

Mais ce handicap faisait aussi et surtout ressortir chez Hawking le contraste entre son incapacité physique et l’étendue de son intelligence. Pour certains, sa maladie a eu un impact sur sa soif de recherche et semblerait avoir nourrit son envie de se poser les questions qui lui ont permis d’aller aussi loin dans ses travaux.

Stephen Hawking, entre gravitation et physique quantique

Stephen Hawking, c’est d’abord un homme dont l’un des plus grands rôles aura été de tenter de réconcilier la relativité générale (théorie de l’infiniment grand) et la physique quantique (théorie de l’infiniment petit).

Aujourd’hui, la communauté d’astrophysiciens travaille encore d’arrache-pied sur la manière dont ces deux grandes théories de la physique peuvent se rejoindre et n’en former plus qu’une seule. Si certaines « théories du tout » sont apparues depuis, comme la Théorie des Cordes et la Gravitation Quantique, personne n’est encore parvenu à réunir définitivement l’infiniment grand et l’infiniment petit.

Et pour cause, ces deux théories semblent fondamentalement incompatibles. La relativité générale suppose que l’univers soit lisse et continu, tandis que la physique quantique découpe l’univers en briques microscopiques, les quanta (pluriel de quantum, pour les amateurs de latin).

Stephen Hawking a pourtant posé les premières pierres de ce rapprochement grâce à son immense travail sur les trous noirs.

Les trous noirs, son terrain de jeu préféré

Les travaux de Stephen Hawking auront considérablement enrichi notre compréhension des trous noirs. Ces derniers sont la cible parfaite pour des expériences de pensée et son handicap va donner à Hawking le temps nécessaire pour réfléchir. Réfléchir par exemple à ce que pourrait bien être un trou noir minuscule.

Car les trous noirs imaginés à l’époque, sont tous le résultat de l’effondrement d’une étoile massive. Or Hawking va « s’amuser » à imaginer la manière dont pourraient se comporter des micro trous noirs primordiaux, nés au moment de la création de l’univers. Imaginez un trou noir, dont la taille ne dépasse pas celle d’un proton, mais dont la masse avoisinerait un milliard de tonnes, le poids d’une grosse montagne !

Les objets microscopiques obéissant aux lois de la physique quantique, ils se comportent donc différemment des objets plus volumineux. C’est en 1975 que Stephen Hawking va certainement faire la découverte la plus marquante et la plus importante de ses recherches.

D’après ses calculs, au lieu de se comporter comme un trou noir classique, le micro trou noir va se comporter… à l’envers. Il rétrécie en émettant une importante bouffée d’énergie. Bref, il s’évapore, lentement mais sûrement. L’énergie émise lors de son évaporation va se concentrer dans un rayonnement, le célèbre Rayonnement de Hawking.

Au cœur des trous noirs

Hawking a également cherché à comprendre ce qu’il se passe au cœur même des trous noirs, dont la densité extrême pourrait tordre le coup aux règles de la théorie de la relativité. Dans certains trous noirs, la relativité générale décrite par Einstein pourrait même être « pathologique ».

A un certain niveau, le trou noir présente une zone de densité infinie, que l’on appelle singularité. A cet endroit précis, la densité (rapport entre la masse d’un certain volume du corps et la masse de l’eau, que l’on utilise comme référence) est tellement forte, que l’espace et le temps se confondent. A cet endroit précis, la valeur du temps est nulle. Autrement dit, il n’existe plus.

Pour ceux que les trous noirs intéressent, c’est d’ailleurs dans la singularité que la vitesse de libération (la vitesse minimale pour que la matière puisse échapper à un champ gravitationnelle d’un corps) dépassera celle de la lumière. A ce niveau, le champ gravitationnel du trou noir est tellement puissant que même les particules de lumière ne peuvent pas s’échapper. Selon Hawking et son collègue Roger Penrose, l’existence d’une telle singularité gravitationnelle est inévitable.

Un trou noir ne peut que grossir, pas rétrécir. Il ne peut pas non plus être divisé.

Hawking démontrera que les trous noirs possèdent, comme n’importe quel objet ordinaire, une entropie. C’est à dire une mesure de la quantité d’information qu’ils contiennent qui fait qu’en situation de désordre, leur surface augmente toujours. Hawking imagine alors que l’aire des trous noirs ne pourra ainsi augmenter que lors d’une collision, quand ils interagissent avec un autre trou noir.

La température de Hawking est son autre grande découverte qui a unifié plusieurs champs de la physique. En raison d’effets quantiques, les trous noirs nous émettent un très faible rayonnement. Cette température est inversement proportionnelle à la masse du trou noir qui l’émet.

Mais le travail de Hawking ne se résume pas « seulement » à l’étude des trous noirs. Dans le domaine de la cosmologie par exemple, Hawking va émettre l’hypothèse que l’univers ait émergé à partir d’un état initial dénué de temps. Pour la première fois, la notion de temps devient alors imaginaire.

L’intelligence artificielle, cheval de bataille de la fin de sa vie

Son rôle d’icône et son incroyable popularité ont poussé Stephen Hawking à prendre position sur un certain nombre de sujets. Et souvent, de manière assez pessimiste :

• Le danger de l’intelligence artificielle qui pourrait selon lui mettre fin à l’humanité
• La conquête du système solaire est selon Stephen Hawking une question de survie pour l’Homme
• La défense de l’environnement : il est convaincu que l’humanité n’aurait plus que 1000 ans à vivre sur Terre avant de disparaître. Il a par ailleurs déclaré que « Trump pourrait entraîner la Terre vers un point de non retour ».

Stephen Hawking est mort le 14 mars 2018 à l’âge de 76 ans, après avoir consacré sa vie à la science et illuminé la physique quantique.

Pour en savoir plus :

• Une brève histoire du temps (livre, 1988) : tout simplement l’un des meilleurs ouvrages scientifiques. Hawking y détaille ses travaux sur les trous noirs et relate ses discussions animées avec ses collègues et amis Roger Penrose et Iakov Zeldovitch.
• Y a-t-il un grand architecte dans l’univers ? (livre, 2010) : ouvrage très critiqué car Hawking y remet en cause l’existence d’un dieu. Il y évoque notamment la Théorie M censée réunir la relativité générale et la physique quantique.
• Une merveilleuse histoire du temps (film, 2014) : biopic richement renseigné, Hawking y est interprété par le brillant Eddie Redmayne.