Mars 2018 - Mort de Stephen Hawking

Geoffrey Compère, Service de Physique théorique et Mathématique

Stephen Hawking était un spécialiste des trous noirs. Il étudiait la physique fondamentale, comme vous Geoffrey Compère. Comment expliquer ce qu’est cet objet qui vous fascine?

Pour bien comprendre, il faut repartir de la théorie de la gravitation d’Albert Einstein. C’est lui qui pose un des concepts-clefs de la physique fondamentale: celui de la théorie de la relativité générale. L’idée, c’est que l’espace et le temps se déforment lorsqu’il y a de l’énergie et en particulier de la masse. Imaginez un drap tiré: si on y pose un objet, le drap ploie. De même, l'espace se courbe autour des étoiles et aussi un peu autour de la Terre. Pour un trou noir, cette déformation est tellement gigantesque que l'espace se déchire en son centre. C’est ce qu'on appelle la singularité. Tout autour, il existe une zone de non-retour qu'on appelle l'horizon. Lorsqu’on franchit l'horizon d'un trou noir, l’attraction est trop forte et on y tombe inexorablement… Les étoiles sont maintenues en équilibre grâce à deux forces exactement opposées : la gravité qui tend à faire effondrer l'étoile sur elle-même et la fusion nucléaire, ce feu qui l'anime. Lorsqu’une étoile plus massive que le soleil a fini de brûler son carburant, l'hydrogène, l'étoile meurt. Elle s'effondre sur elle-même. Son poids est tel que l'espace se déforme jusqu'à former un trou noir. Il est l’objet le plus dense de l’univers.

Comment s’assurer de bien comprendre ce qu’est cet objet… en restant dans la théorie?

Les trous noirs n'émettent pas de lumière… ils sont noirs! Mais des étoiles tournent autour d’eux: c’est ce qui permet de détecter leur présence. C’est ainsi que nous pouvons affirmer qu'au centre de notre galaxie, la Voie Lactée, se trouve un trou noir de 4 millions de fois la masse du soleil: "Sagittarius A*". Il est le trou noir connu le plus proche de nous, mais il est beaucoup trop loin pour qu’on imagine s’y rendre. La compréhension des trous noirs est donc d'abord mathématique. En tant que théoricien, c’est ce qui passionnait Stephen Hawking. C’est ainsi qu’il a découvert dans les années 1970 que ces objets obéissaient aux lois de la thermodynamique: les trous noirs ont une température, ils dégagent de la chaleur… et ne sont donc pas totalement noirs! C’est cet effet qui est désormais connu sous le nom de "radiation de Hawking".

Cette radiation implique que les trous noirs ont une entropie. L’entropie, c’est la mesure du désordre. Prenons l’exemple de l’état d’une chambre. Bien rangée, son entropie est faible. Sens dessus-dessous, son entropie est élevée. L’entropie est proportionnelle au volume de la chambre. Les travaux de Hawking et de son contemporain Jacob Bekenstein ont montré qu'un trou noir a une entropie proportionnelle non pas à son volume mais à l’aire de son horizon! Un bouleversement pour la physique fondamentale.

Quelles sont les perspectives de "l’héritage Hawking"?

Les portes ouvertes sont immenses. La radiation de Hawking a mené à un paradoxe, toujours ouvert à ce jour. Puisque le trou noir chauffe, alors il s'évapore. L’information tombée à l’intérieur doit être retransmise à l'extérieur. Pourtant, d'après les calculs du physicien, l'information ne peut pas en sortir car la radiation de Hawking ne dépend pas des détails de ce qui est tombé… Alors, soit c’est la relativité générale d'Einstein, soit ce sont les lois de la physique microscopique qui doivent être modifiées pour réconcilier ces deux points de vue. C'est le "paradoxe de l'information" de Hawking. Enormément d’idées foisonnent à ce sujet ces dernières années. Grâce à ses contributions capitales à la physique fondamentale, Stephen Hawking est parvenu à populariser la physique fondamentale avec beaucoup de finesse et de poésie, tout en menant son combat contre la maladie de Charcot. Il a marqué l’histoire de la Science.