Ce que les travaux de Stephen Hawking ont apporté à la physique

Le cosmologiste britannique a grandement contribué à mieux connaître la physique des trous noirs, des objets longtemps restés au stade de curiosité mathématique.

Stephen Hawking, mort mercredi 14 mars à l’âge de 76 ans, est l’un des fondateurs de ce que l’on pourrait appeler la physique des trous noirs, presque une discipline en soi. La première contribution majeure de Hawking remonte à la fin des années 1960, date à laquelle lui et son ancien professeur et ami Roger Penrose publient ce que l’on appelle les « théorèmes des singularités », des travaux qui changeront le regard des physiciens sur les trous noirs.

Jusqu’alors, le trou noir, objet bien connu aujourd’hui, ne représentait rien de plus pour les physiciens qu’un objet théorique, émanant d’un concept et encore jamais observé. Le mot même de « trou noir » ne fut inventé qu’en 1969 par John Wheeler.

Le trou noir, du concept théorique à la réalité

Le concept, lui, remonte à 1783, lorsque John Michell, professeur à Cambridge, se posa une simple question : alors qu’il faut une certaine vitesse pour s’affranchir de la gravité (la vitesse de libération, que les fusées doivent atteindre pour quitter la Terre, par exemple), qu’adviendrait-il si un objet était si massif que même la vitesse de la lumière n’y suffirait pas ? Rien ne pourrait s’en échapper, donc pas même la lumière, et l’astre serait invisible, soit « noir ». A l’époque, Michell estime que l’objet doit faire au minimum 500 fois la taille du Soleil pour générer une telle situation.

L’intérêt pour le trou noir va connaître un regain lors de la publication de la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein, en 1915, qui prédit que la matière déforme la structure même de l’espace. Une étoile massive pourrait, dans cette perspective, s’effondrer sur elle-même jusqu’à n’être qu’un point de dimension zéro et à la gravité infinie : ce que l’on appellera plus tard une « singularité gravitationnelle ». Mais la réalité d’une telle possibilité est vivement contestée par les grands physiciens de l’époque, y compris par Einstein lui-même, qui estime impossible l’existence de ces singularités : le fait qu’une étoile puisse se ratatiner jusque dans un point prodigieusement minuscule lui paraissait être un non-sens physique.

Hawking et Penrose, qui travaillent ensemble depuis 1965, démontrent que loin d’être un non-sens, les singularités gravitationnelles peuvent exister, et dans des conditions bien moins rares que ce que pensaient les physiciens jusque-là. Le trou noir n’est ni une simple curiosité, ni un concept sans rapport à la réalité, ni même un objet rare : de nombreuses étoiles réunissent les conditions qui feront que celles-ci, à court de carburant nucléaire à la fin de leur vie, s’effondreront sur elles-mêmes jusqu’à devenir si denses que la courbure de l’espace forme un puits dans lequel les rayons lumineux seront enfermés et continueront de circuler pour toujours, en boucle. Aujourd’hui, on estime à quelques masses solaires (plusieurs fois celle de notre Soleil) la masse minimale requise pour qu’une étoile finisse en trou noir.

Ce travail sur les singularités gravitationnelles connaîtra son aboutissement avec la publication en 1973 de La Structure à grande échelle de l’espace-temps, un livre dans lequel Hawking et George Ellis détaillent les mathématiques de leur théorie.

Des trous pas si noirs que cela

L’autre contribution majeure de Stephen Hawking est la découverte du « rayonnement de Hawking », en 1975. Jusqu’à cette date, il était considéré que les trous noirs n’émettaient aucun rayonnement, puisque par définition, ils retenaient la lumière prisonnière de leur puits gravitationnel. Stephen Hawking a montré qu’au contraire, les trous noirs émettent théoriquement un rayonnement de corps noir, c’est-à-dire un rayonnement correspondant à leur température. Plus la masse d’un trou noir sera élevée, plus sa température sera faible, et moins le trou noir émettra de rayonnement.

Mais puisque rien ne peut s’échapper d’un trou noir, comment celui-ci peut ne serait-ce qu’émettre une seule particule ? Ce n’est en fait pas exactement le trou noir qui émet le rayonnement en question, mais le voisinage immédiat de ce dernier. En effet, les théories quantiques prévoient que le vide génère en continu des paires de particules/antiparticules (une antiparticule est simplement une particule de charge électrique opposée). Celles-ci s’annihilent instantanément du fait de leurs charges électriques opposées. Mais lorsqu’elles sont générées à proximité d’un trou noir, le champ gravitationnel de ce dernier sépare les deux particules, l’une des deux y échappant. Du point de vue d’un observateur, la particule aura été émise par le trou noir.

L’émission de particules chargées positivement entraînerait un courant de particules chargées négativement à l’intérieur du trou noir et réduirait ainsi son énergie, et donc in fine sa masse (une équivalence formulée dans la fameuse équation d’Einstein « E = MC² »). Plus le rayonnement de Hawking est fort, plus le trou noir se réduit et perd sa masse. C’est ainsi que l’on parle d’évaporation des trous noirs.

Un trou noir de plusieurs fois la masse du Soleil perd régulièrement une infime partie de sa masse, au fur et à mesure que l’Univers se refroidit. Au rythme actuel de refroidissement de l’Univers, il faudrait tout de même attendre1 000 milliards de milliards de milliards de milliards de milliards de milliards de milliards d’années pour que celui-ci s’évapore complètement, autant dire que ça n’est pas pour après-demain (en rappelant que l’Univers n’est vieux « que » de 13,8 milliards d’années).

Des questions restées irrésolues

Si les découvertes théoriques majeures de Hawking semblent concerner surtout les trous noirs, ses théories ont ouvert plusieurs questions importantes qui dépassent l’étude de ceux-ci et qui demeurent non résolues.

Le premier de ces problèmes est ce que l’on appelle le « paradoxe de l’information » posé par les trous noirs et qui voit s’opposer les règles de la relativité générale et les postulats de la physique quantique. Pour résumer, la question se pose de savoir ce que devient l’information « avalée » par un trou noir. Les travaux de Hawking prédisaient que l’information tombée dans un trou noir est irrémédiablement détruite. Si votre livre préféré tombe dans un trou noir (pas de chance), la théorie veut que toutes les propriétés internes contenues dans ledit livre soient perdues lors de l’évaporation du trou noir au lieu d’être restituées sous une autre forme. Cela contredit fermement l’un des postulats de la physique quantique appelé « unitarité », et qui énonce qu’il n’y a ni création ni destruction d’information. Un système similaire au principe de conservation de la matière, résumé par le Français Lavoisier par la maxime célèbre « rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme ».

Hawking, qui se pencha comme beaucoup d’autres physiciens sur cette question épineuse depuis plusieurs décennies, annonça finalement avoir résolu le paradoxe en août 2015 lors d’un exposé donné à Stockholm, affirmant que l’information serait stockée dans le plan de l’horizon des événements et qu’elle serait libérée progressivement lors de l’évaporation du trou noir. Mais en l’absence de publication scientifique et de fondations solides, l’idée de Hawking n’a pas convaincu la communauté scientifique, qui considère toujours le paradoxe comme non levé.

Le second des grands problèmes de la physique auquel Stephen Hawking a tenté de répondre est l’unification des théories décrivant les quatre grandes forces physiques qui régissent la matière : les interactions faibles et fortes (responsables respectivement de la radioactivité et de la cohésion des noyaux atomiques), l’électromagnétisme et la gravitation. Ces quatre forces sont actuellement décrites par deux théories distinctes et irréconciliées : la relativité générale et la physique quantique. La première est une théorie de la gravitation qui explique la mécanique de l’Univers à grande échelle, tandis que la dernière est une théorie qui explique le comportement des particules à l’échelle de l’infiniment petit. Chacun des systèmes fournit une compréhension juste des phénomènes observés dans leurs domaines mais sont impuissants à expliquer les observations sur une échelle différente.

L’expérience de pensée du chat de Schrödinger est la plus célèbre tentative de mettre en évidence l’impuissance de la physique quantique à expliquer les phénomènes macroscopiques : un chat est enfermé dans une boîte, dans laquelle se trouve une dose mortelle de poison, qui n’est libérée que si un compteur Geiger détecte la désintégration d’une particule radioactive. Si la probabilité d’une telle désintégration au bout d’une minute est estimée à 50 %, les principes quantiques indiquent que tant que l’observation n’est pas faite, le chat est à la fois mort et vivant : c’est la superposition quantique des états. Le principe fonctionne très bien au niveau atomique, mais il devient invalide au niveau macroscopique.

La question, qui occupa en vain les dernières décennies de la vie d’Albert Einstein, comme celle de plusieurs générations de physiciens, résista également à Stephen Hawking. Dans The Grand Design, un ouvrage publié en 2010 avec le physicien américain Leonard Mlodinow, il doutera publiquement de l’existence d’une telle théorie : « Il se pourrait que les attentes classiques du physicien d’une théorie unifiée de la nature soient intenables, et qu’il n’existe aucune explication unique. »