Hawking, une théorie du tout.

Il avait 76 ans. Stephen Hawking, l’astrophysicien britannique atteint de la maladie de Charcot, s’est éteint ce matin à Cambridge. Contre Culture se propose aujourd’hui de creuser plus loin que les simples détails biographiques et d’apporter de modestes clés de lecture afin de comprendre ses recherches et ses trouvailles. Cet article n’est rien de plus que l’incarnation d’une modeste prétention : celle de parler du monde et de rendre hommage à l’homme en honorant son travail. 


Une brève histoire de la théorie de la relativité générale

Pour comprendre le caractère révolutionnaire du travail de Stephen Hawking il faut revenir à la première moitié du XXème siècle et au développement de deux théories majeures : celle de la relativité générale formulée par Albert Einstein et celle de la mécanique quantique.

Au début il y avait Isaac Newton qui fût au XVIIème siècle le premier à formuler une théorie de la gravité. On connaît tous l’image de la pomme qui tombe d’un arbre et qui se voit attirée par la Terre. Pour Newton, cette chute est due à un principe fondateur : la gravité. Dans l’univers, les corps ayant une masse s’attirent entre eux : la Terre et la pomme s’attirent mutuellement, il en va de même pour la Terre et la Lune. Les corps les plus massifs ont néanmoins une force d’attraction plus grande que les corps plus petits. Ainsi, la pomme étant moins massive que la Terre, elle s’échoue inévitablement sur cette dernière. La Lune quant à elle jouit d’une vitesse suffisante pour compenser l’attraction gravitationnelle de la Terre. Voilà pourquoi elle ne nous tombe pas sur la tête.

Albert Einstein prolongera cette théorie. Dans un premier temps il formulera une théorie de la relativité restreinte. Alors que nous avons l’habitude de considérer l’espace comme la somme de trois dimensions (largeur, hauteur et profondeur) Einstein avance que nous vivons dans un espace-temps à quatre dimensions : trois pour l’espace et une pour le temps. Espace et temps se concilient donc dans ce paradigme grâce à une donnée : la vitesse de la lumière, qui est la vitesse maximale à laquelle on peut circuler. Viendra ensuite la théorie de la relativité générale, toujours formulée par Einstein, qui stipule que l’énergie peut avoir une influence sur cet espace-temps. Ici, les corps ne s’attirent plus entre-eux de par leur masse (cf Newton) mais parce qu’ils suivent une même courbure de l’espace-temps. L’image la plus souvent utilisée est celle d’un long drap extensible sur lequel serait posé notre univers. Si vous y placez une masse cette dernière va déformer localement l’espace-temps et donc influer sur la trajectoire des autres corps présents sur le drap. Ce nouvel ajout à la théorie de Newton permet ainsi de penser le phénomène de la gravité à plus grande échelle et pour des corps beaucoup plus lourds. Einstein formule aussi l’idée qu’il existe des trous noirs, c’est à dire des régions de l’espace dans lesquels ni la matière ni la lumière ne peuvent s’échapper.

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Une brève histoire de la mécanique quantique

Alors que la relativité générale nous parle à l’échelle de l’univers, la mécanique quantique, elle, se propose de développer une théorie microscopique à travers l’analyse des atomes, protons et autres électrons. Elle décrit donc un monde qui est différent de celui atteignable par la relativité générale. L’exemple le plus parlant pour illustrer cette différence est certainement le fonctionnement des atomes. Nous avons en effet pour habitude de comparer leur fonctionnement à celui des systèmes planétaires : les électrons tourneraient autour d’un proton comme des planètes tourneraient autour d’une étoile. Néanmoins, ce n’est pas si simple car les règles applicables à très grande échelle ne le sont pas à très petite échelle. C’est pour cela que ces lois doivent être modifiées pour devenir pertinentes à l’échelle microscopique : ce processus s’appelle la quantification. Dans le cas qui nous intéresse ici, non, les atomes ne fonctionnent pas comme des systèmes planétaires pour une raison simple : alors que les planètes peuvent tourner autour d’une étoile à différentes distances de cette dernière les électrons, eux, ont des orbites imposés par rapport à leur proton. De plus, contrairement à une planète un électron peut être partout sur son orbite à un moment donné. Pour mieux comprendre il nous faut remonter le temps et revenir en 1935 en Autriche. Le physicien Erwin Schrödinger vient de mettre en place une expérience de pensée qui permet de mettre une image sur ce phénomène. Un chat se trouve dans une boîte où sont placés un marteau, un atome et du poison. Au bout d’un moment donné l’atome radioactif a une chance sur deux de se désintégrer, s’il le fait il enclenchera le marteau qui répandra le poison dans la boite et tuera le chat. Deux choix s’offrent ici à nous. Le premier consiste à regarder dans la boîte, la réalité physique du chat ne pouvant être que dans un état de vie ou de mort un simple coup d’œil permettra de mettre tout ça au clair. La deuxième solution c’est celle d’une superposition quantique : un électron pouvant être à plusieurs endroits à la fois il peut déclencher le mécanisme comme ne pas le déclencher. Le chat est donc à la fois mort et vivant en même temps.

La théorie de la relativité générale et celle de la mécanique quantique sont donc incompatibles. La première estime que tout est continu et s’intéresse au niveau macro. La deuxième estime que les particules peuvent êtres discontinues et s’intéresse aux processus microscopiques. Il nous faudrait donc trouver une théorie pour unifier ces dernières. Mais si la théorie de la relativité nous parle d’objets très lourds qui, par définition, ne sont pas microscopiques et que la mécanique quantique nous parle d’objets microscopiques qui par essence ne sont pas lourds : pourquoi aurions-nous besoin d’utiliser les deux conjointement dans une nouvelle théorie ? La réponse est simple et tient en deux mots : trous noirs.

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Vers une théorie du tout

Dans les années 1970, Stephen Hawking travaillait sur la physique des trous noirs. Ces derniers, tels qu’on les conçoit habituellement, se forment suite à l’effondrement du cœur d’une étoile. En résulte donc un objet céleste compacte dont les matières et la lumière ne peuvent s’échapper. Hawking se pose la question suivante : la théorie de la relativité générale n’interdisant pas qu’il puisse exister des petits trous noirs pourrait-on donc appliquer la mécanique quantique à ces derniers ? Car là réside le problème : ces trous noirs auraient la taille d’un proton mais la masse d’une montagne. Il faut donc, pour les analyser, concilier les deux théories existantes dans une nouvelle théorie qui serait ainsi une « théorie du tout ». Il en va de même pour comprendre le Big Bang, cet état dans lequel l’univers était particulièrement petit mais dense. En ajoutant de la mécanique quantique à l’analyse des trous noirs Hawking se rend compte que ces derniers pourraient émettre des rayonnements. Alors même que jusque-là tout laissait croire que les trous noirs ne faisaient qu’avaler la matière voilà qu’ils pourraient bien émettre de l’énergie et donc perdre de leur masse et disparaître. Ce ‘rayonnement Hawking’ caractérisé par une évaporation des trous noirs est une découverte majeure. Ces trous noirs ingurgitant une source formidable d’information lors de leur formation pourraient-ils donc la rejeter par ces évaporations ? Et si c’est le cas aurons-nous accès à la totalité ou à une petite partie de ces informations ? Le débat reste grand ouvert et s’incarne actuellement dans deux nouvelles théories du tout : la théorie des cordes et la théorie de la gravitation quantique à boucles.


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