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Ce que Stephen Hawking a apporté à la compréhension de l'Univers

L'astrophysicien britannique s'est éteint ce mercredi 14 mars à l'âge de 76 ans. Ses recherches ont permis de mieux comprendre les trous noirs tout en jetant un pont entre les deux grandes théories de la physique.

Vue d'artiste d'un trou noir
Vue d'artiste d'un trou noir Crédit : AFP
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Benjamin Hue
Journaliste RTL

Stephen Hawking a rejoint l'infini qu'il aimait tant étudier. Paralysé par une maladie dégénérative - une sclérose latérale amyotrophique communément appelée maladie de Charcot -, le brillant astrophysicien britannique s'est éteint mercredi 14 mars à l'âge de 76 ans.

Cloué dans un fauteuil depuis le début des années 1970, mais l'esprit intact, le scientifique le plus connu de son temps a consacré son existence à percer les secrets de l'univers tout en s'attachant à populariser l'astrophysique à travers des ouvrages de vulgarisation et des prises de parole scrutées dans le monde entier, avec sa voix de synthèse robotique caractéristique.

L'apport de Stephen Hawking à la physique est considérable. Ses recherches ont permis de mieux comprendre la formation de l'univers. Elles ont mêlé différents champs de la discipline et ouvert la voix à un dialogue entre les deux grandes théories décrivant les forces à l'oeuvre dans l'univers : la théorie de la relativité générale et la mécanique quantique. "Ses découvertes concernent essentiellement la physique des trous noirs et la compréhension de la formation de singularité dans l'espace-temps", explique à RTL Futur Éric Gourgoulhon, chercheur en astrophysique théorique et directeur de recherche au CNRS.

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Un pont entre Einstein et la mécanique quantique

Stephen Hawking a passé sa carrière à tenter de faire la lumière sur les trous noirs, ces astres célestes extrêmement compacts formés lors de l'effondrement d'une étoile en fin de vie, dont la masse est devenue trop importante au regard de sa taille. De mystérieux dévoreurs de matières cosmiques dont rien ne s'échappe, en théorie. Dans la conception classique de la physique, ils sont considérés comme des ogres cosmiques, des puits sans fond si compacts que l'intensité de leur champ gravitationnel aspire tout sur leur passage, ne laissant échapper ni matière ni lumière.

Selon la théorie de la relativité générale d'Einstein, qui régit notre rapport à la gravité, les trous noirs constituent une singularité de l'espace-temps, soit une zone de l'univers où la courbure de l'espace devient infinie et où les lois de la physique ordinaire ne peuvent pas s'appliquer. "Avec son collègue Roger Penrose, Stephen Hawking a prouvé mathématiquement que les singularités sont présentes au centre de tous les trous noirs, ce qui signifie que la relativité générale ne fonctionne pas pour expliquer ce qu'il s'y passe et qu'il faut pour cela invoquer les lois de la physique quantique", explique à RTL Futur Sébastien Carassou, astrophysicien et co-créateur de la chaîne Youtube "Le Sense Of Wonder".

Les trous noirs ne sont pas vraiment noirs

En somme, selon Stephen Hawking, les trous noirs n'existent pas si l'on s'en réfère à cette acception. Leur description par la relativité générale est inexacte car elle n'est envisagée qu'à l'échelle macroscopique. En utilisant des principes de physique quantique, (l'échelle de l'infiniment petit), il serait possible d'observer des radiations s'échapper des trous noirs. Ces derniers ne seraient donc pas des tombeaux pour les informations passant à proximité.

En 1975, Stephen Hawking émet l'hypothèse de l'évaporation des trous noirs. L’astrophysicien prédit que les trous noirs ne se contenteraient pas d'absorber la matière et la lumière passant à proximité mais qu'ils s'évaporaient lentement en émettant d'intenses radiations thermiques. Ce phénomène est appelé "rayonnement de Hawking". 

"Stephen Hawking a montré qu'à cause des lois de la physique quantique, les trous noirs devraient théoriquement émettre un rayonnement et que cette émission ne peut conduire qu’à la mort des trous noirs par "évaporation", sur des échelles de temps qui dépendent de leur taille. Les petits trous noirs s’évaporent très vite, les gros trous noirs s’évaporent très lentement", poursuit Sébastien Carassou.

Le paradoxe de l'information

La prédiction du rayonnement de Hawking soulève toutefois un problème dans notre compréhension des trous noirs, résultant de l'opposition des lois de la relativité générale et de celles de la mécanique quantique. C'est le paradoxe de l'information. 

"Dans la vision classique du trou noir, tout ce qui entre dans un trou noir est perdu à jamais pour le reste de l’univers. Ce que les physiciens résument par l’affirmation humoristique 'les trous noirs n’ont pas de cheveux', au sens où ils ne gardent aucune des propriétés de ce qui pénètre en leur sein", précise Sébastien Carassou. 

"Or, selon les lois de la mécanique quantique, l’information dans l’univers doit être conservée. Si les trous noirs s’évaporent, cela signifie que l’information qu’ils contiennent s’est aussi volatilisée. Où est donc passée cette information ? À ce jour, ce paradoxe n’est pas résolu", poursuit l'astrophysicien.  

Pourquoi il n'a jamais obtenu le prix Nobel

De l'avis des spécialistes, Stephen Hawking aurait obtenu le prix Nobel si sa découverte avait pu être démontrée expérimentalement. Mais le rayonnement de Hawking n'a encore jamais pu être directement observé par un télescope car il est impossible aujourd'hui d'étudier de près un trou noir, même si les chercheurs n'ont pas renoncé à y parvenir.

"Ses travaux ont en tout cas participé à faire progresser l'une des quêtes les plus importantes de la physique moderne : réconcilier la théorie de la relativité générale, qui régit le monde de l'infiniment grand, et la mécanique quantique, qui régit le monde de l'infiniment petit", conclut Sébastien Carassou. De fait, il ne sera pas possible de rendre compte parfaitement des trous noirs tant qu'une théorie de la gravité unifiée n'aura pas été élaborée.

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2018-03-14 20:25:00
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