Stephen W. Hawking

Stephen Hawking

Image de Stephen Hawking réalisée par la NASA en 1999
Naissance	8 janvier 1942 Oxford (Angleterre)
Domicile	Angleterre
Nationalité	Anglaise
Champs	Cosmologie, physique (trous noirs), Mathématiques appliquées
Institution	Chaire de professeur lucasien de mathématiques de l'université de Cambridge
Célèbre pour	ses travaux concernant les trous noirs, la cosmologie et la gravité quantique, ainsi que pour sa maladie, la dystrophie neuromusculaire
Distinctions	Prix Prince des Asturies (1989) Médaille Copley (2006)
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Stephen W. Hawking, CH, CBE, FRS, FRSA, est un physicien théoricien et cosmologiste anglais, né le 8 janvier 1942 à Oxford. Hawking est professeur de mathématiques à l'Université de Cambridge (mais a l'intention de se retirer de ce poste en 2009)^[1], membre de Gonville and Caius College, Cambridge et chercheur distingué du Perimeter Institute for Theoretical Physics^[2]. 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 lequel 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 a une dystrophie neuromusculaire qui est lié à la 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 connu sous le nom de radiation d'Hawking (ou parfois en tant que radiation de Bekenstein-Hawking)^[4]. C'est un physicien théoricien à 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 Arts^[5] et est membre à vie de l'Académie pontificale des sciences^[6].

L'astéroïde (7672) Hawking a été nommé en son honneur.

Sommaire 1 Biographie 1.1 Champs de recherche 2 Résumé succinct de ses recherches 2.1 La radiation Hawking 2.2 Les mini trous noirs 2.3 L'entropie des trous noirs 2.4 La perte d'information dans un trou noir 2.5 Les trous de ver 2.6 La flèche du temps et l'univers sans bord 2.7 La théorie de l'inflation 2.8 Nouvelle théorie sur les trous noirs 3 Anecdotes 4 Référence dans les médias 5 Œuvres 6 Notes et références 7 Voir aussi 8 Liens externes

Biographie

Stephen Hawking est né le 8 janvier 1942. Il est le fils du D^r Frank Hawking, un chercheur biologiste, et d'Isobel Hawking, une activiste 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].

Ensuite, Stephen est né et la famille a déménagé à Londres, où son père dirigeait la division de parasitologie à l'Institut national de la recherche médicale^[7].

En 1950, Hawking et sa famille ont déménagé à St Albans en Hertfordshire, où il a fait l'école de St Albans de 1950 à 1953 (À ce moment-là, les garçon et les filles pouvaient être mélangés avant l'âge de 10 ans^[10]). Stephen était bon, mais pas exceptionnel^[7]. À la question qu'on lui posa plus tard, par quel enseignant il avait été inspiré, Hawking nomma son professeur de mathématiques, Dikran Tahta^[11]. Il garda des liens avec cette école, donnant son nom à l'une des quatre maisons et donnant 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 aurait préféré qu'il aille en médecine. Étant donné que les mathématiques n'étaient pas proposés, Hawking a choisi alors la physique. Ses intérêts au cours de cette période ont été la thermodynamique, la relativité et la mécanique quantique. Son professeur de physique, Robert Berman, a déclaré 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 l'Université d'Oxford en 1962, il est resté pour étudier l'astronomie. Il a décidé d'arrêter quand il trouvat que l'étude des taches solaires, ce dont tout observatoire est équipé pour, ne l'attirait pas et qu'il était plus intéressé dans la théorie que dans l'observation.^[7] Il a quitté Oxford, avec les honneurs, pour Trinity Hall (Cambridge) 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), 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 que la maladie se fut stabilisée et avec l'aide de son tuteur de doctorat, William Dennis Sciama, il est retourné travailler sur sa thèse de doctorat.^[7] Il a révélé que il ne voit 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 principalement un chercheur, et plus tard un chercheur professionnel 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 commandant 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 a été incapable de se nourrir ou de sortir du lit. Son discours est devenu tellement lié à sa maladie qu'il ne pouvait être compris que par les personnes qui le connaissaient bien. En 1985, il a attrapé une pneumonie et a dû avoir une trachéotomie, ce qui l'a rendu incapable de parler. Un scientifique de Cambridge a construit un dispositif qui permet à Hawking d'écrire sur un ordinateur avec de petits mouvements de son corps, et ensuite un synthétiseur vocal qui parlait pour lui, lisant ce qu'il venait de taper.^[12]

Jane Hawking (née Wilde), la première femme de Hawking, a pris soin de lui, jusqu'en 1991, lorsque le couple s'est séparé. Cela aurait été dû à la pression de la célébrité, le tout combiné à l'aggravation de son handicap. 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.^[13]

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 auquel elle se mariera plus tard. La fille de Hawking, Lucy, est une romancierère. Leur fils aîné, Robert, émigre aux États-Unis, se marie, et a un enfant, George Edward Hawking. Hawking et sa première famille se sont réconciliés en 2007.^[14]

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... 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.

Champs de recherche

Les principaux domaines de recherches de Hawking sont la cosmologie et la gravité quantique.

À la fin des années 1960, 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 générale.^[15] 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 générale.^[16]

Résumé succinct de ses recherches

La 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, 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 proton ainsi 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

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 que 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 Berkenstein en dérision (en la traitant de « scandaleuse » ou d'« insensée ») pour accroître la valeur de ses propres résultats. Même son directeur de thèse, le D^r 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

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 pense-t-il 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.^[17]

Les trous 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 n'est 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

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.

La théorie de l'inflation

Nouvelle théorie sur les trous noirs

Stephen Hawking est sur le devant de la scène en juillet 2004 en présentant une nouvelle théorie sur les trous noirs qui va à l'encontre de sa propre ancienne théorie, perdant ainsi un pari que lui et Kip Thorne avaient fait avec John Preskill, un physicien des particules. Classiquement, on peut montrer que l'information qui passe par l’horizon d'un trou noir est perdue pour notre univers. Ce fait est connu sous le nom de théorème de calvitie. Le problème avec ce théorème est qu'il implique que le trou noir émet les mêmes radiations quel que soit ce qui y rentre. Ainsi, si un état pur quantique est jeté dans un trou noir, un état mélangé en ressortira. Ceci va à l'encontre des règles de la mécanique quantique et est connu sous le nom de paradoxe de l’information perdue des trous noirs.

Hawking avait auparavant spéculé que la singularité au centre du trou noir pouvait former un pont vers un « bébé univers » dans lequel l'information perdue pouvait passer ; de telles théories sont très populaires dans la science-fiction. Mais d'après la nouvelle idée de Hawking, présentée à la 17^e Conférence internationale sur la relativité générale et la gravitation, le 21 juillet 2004 à Dublin, les trous noirs finissent par transmettre, de manière désordonnée, l'information de toute la matière qu'ils avalent^[18].

Ayant conclu que l'information est conservée, Hawking concède qu'il a perdu son pari, cédant à Preskill son encyclopédie. Toutefois, Thorne reste dubitatif vis-à-vis de la démonstration de Hawking et refuse de contribuer à la récompense.

En juillet 2005 l'annonce de Hawking a donné lieu à une publication dans la revue Physical Review et largement débattue dans la communauté scientifique^[19],[20].

Anecdotes

• Hawking a affirmé qu'il serait « plus excitant » que le Large Hadron Collider échoue à trouver le boson de Higgs, dont la découverte est un des objectifs prioritaires, ce qui lui a valu un échange vif avec Peter Higgs, qui avait prédit l'existence de cette particule en 1964 [1].

• Stephen Hawking n'a jamais caché l'intérêt qu'il porte à l'univers de Star Trek. Il joue son propre rôle dans le prologue de l'épisode « Descent, Part I » de la série Star Trek: The Next Generation, engagé dans une partie de poker avec Isaac Newton et Albert Einstein. Dans l'épisode final de cette même série, le personnage de Data est titulaire de la chaire lucasienne, celle-là même qu'occupe Hawking à Cambridge, à la suite de Newton. Il est également amateur de la série britannique Red Dwarf, qu'il commente notamment dans un documentaire consacrée aux dix ans de cette série.

• La série Masters of Science Fiction est présentée oralement par Stephen Hawking.

• Stephen Hawking a préfacé l'ouvrage : La physique de Star Trek, ou comment visiter l'univers en pyjama de Lawrence M. Krauss.

Référence dans les médias

• Il apparaît dans un épisode des Simpson en 1999, intitulé Les gros QI (saison 10), ainsi que dans les épisodes Une grosse tuile pour un toit (saison 16) et Petit Papa Noël super flic (saison 18), et aussi dans un épisode de la deuxième saison et dans le deuxième long-métrage de la série Futurama. On peut également le voir dans un épisode de la série Dilbert et dans un clip parodique de celui de Cha Millionnaire White and Nerdy de "Al" Yankovic. Plus récemment on peut noter l’apparition caricaturale de Stephen Hawking dans le film Super Héros Movie et dans le dessin animé Timmy Turner et les parrains magiques.

• Dans le cycle d'Hypérion de Dan Simmons, les nefs interstellaires sont équipées de réacteurs à poussée Hawking, mais qui sont un peu dépassés pour l'époque avancée du roman.

• Enfin, on peut l'entendre dans la chanson Keep Talking du groupe Pink Floyd. Comme sa maladie l'empêche de parler, il utilise dans la vie de tous les jours un synthétiseur vocal qui renvoie une voix digitalisée. Le groupe a donc samplé cette voix à partir d'une publicité pour une compagnie téléphonique que Hawking avait enregistré.

• On peut aussi voir un "sosie" de Stephen Hawking dans le film Superhero Movie, lequel joue le rôle de Stephen Hawking en tant que docteur pervers et sadique.

Œuvres

Il a écrit, entre autres :

• Une brève histoire du temps (A brief history of time, 1989)
• Trous noirs et bébés univers et autres essais (Black Holes and Baby Universes and Other Essays)
• L'Univers dans une coquille de noix (The Universe in a Nutshell)
• Sur les épaules des géants : Les plus grands textes de physique et d'astronomie (On The Shoulders of Giants. The Great Works of Physics and Astronomy)
• Une belle histoire du temps, 2005
• Georges et les secrets de l'Univers, 2007
• Georges et les trésors du Cosmos, 2009

Notes et références

Voir aussi

• Chaire de professeur lucasien de mathématiques de l'université de Cambridge
• Fin de la science

Liens externes

• (en) Site officiel
• (en) Stephen Hawking sur le site de la Chaire lucasienne

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