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STEPHEN HAWKING

capture24-4.jpg Stephen William Hawking, né le 8 janvier 1942 à Oxford, est un physicien théoricien et cosmologiste britannique.

Hawking a été professeur de mathématique  à l'université de Cambridge de 1980 à 2009, membre de Gonville and Caius College Cambridge et chercheur distingué du Perimeter Institute for Theoretical Physics. 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 lesquelles 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. Hawking a une dystrophie neuromusculaire qui est attribuée à une sclérose latérale amyotrophique, 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 connues sous le nom de radiations d'Hawking (ou parfois radiations de Bekenstein-Hawking). C'est un physicien théoricien de 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 et membre à vie de l'Académie pontificale des sciences.

capture08-2-4.jpg En 1981, il est lauréat de la médaille Franklin. L'astéroïde (7672) Hawking a été nommé en son honneur.

Stephen Hawking est le fils du Dr Frank Hawking, un chercheur biologiste, et d'Isobel Hawking, une militante politique. Il a deux jeunes sœurs, Marie et Philippa et un frère adoptif, Edward. 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). Selon l'une des publications de Hawking, un missile V-2 a explosé à quelques rues de l'endroit où ils étaient.

Hawking a toujours été intéressé par la science. Il s'inscrit à l'université d'Oxford, avec l'intention d'étudier les mathématiques, bien que son père eût préféré qu'il aille en médecine. Étant donné que les mathématiques n'étaient pas proposées, Hawking choisit alors la physique. Ses intérêts au cours de cette période sont la thermodynamique, la relativité et la mécanique quantique.

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. »

Après avoir obtenu son diplôme B.A. à Oxford en 1962, il est resté pour étudier l'astronomie. Il a décidé d'arrêter quand il trouva que l'étude des taches solaires ne l'attirait pas et qu'il était plus intéressé par la théorie que par l'observation. Il a quitté Oxford, avec les honneurs, pour Trinity Hall où il a participé à l'étude de l'astronomie théorique et la cosmologie théorique.

capture07-40.jpgPresque 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 et en France la maladie de Charcot), 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 la stabilisation de sa maladie et avec l'aide de son tuteur de doctorat, William Dennis Sciama, il est retourné travailler sur sa thèse de doctorat. Il a révélé qu'il ne voyait 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. Après avoir obtenu son doctorat, Stephen est devenu chercheur 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 commandeur 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 est devenu incapable de se nourrir ou de sortir du lit par lui-même, tandis que son élocution était fortement altérée par sa maladie, de sorte que seules les personnes le connaissant bien pouvaient encore le comprendre. En 1985, il a contracté une pneumonie et a dû subir une trachéotomie, ce qui l'a rendu définitivement incapable de parler. Un scientifique de Cambridge a construit un dispositif permettant à Hawking d'écrire sur un ordinateur avec de petits mouvements de son corps, tandis qu'un synthétiseur vocal parle pour lui, lisant ce qu'il vient de taper. Hawking dispose de quelques moyens d'accélérer un peu le système d'élocution, qui reste en retard sur ce que ses yeux disent. La nécessité de toujours peser ses mots (au risque d'en effacer d'autres dans le vocabulaire automatique) n'a pas nui à son style, d'une grande limpidité.

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, etc. 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.

Recherches

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

À la fin des années 1970, 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. 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.

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

capture25-3.jpgMais 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 qu'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 ».

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.

capture26-4.jpgSchéma d’un trou de ver de masse négative

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 ne soit 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.

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

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 17e 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.

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..

Science-fiction

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.

Distinctions et honneurs

1974 : Membre de la Royal Society (FRS)

1975 : Médaille Eddington

1976 : Prix Dannie-Heineman

1979 : Médaille Albert-Einstein

1982 : Commandeur de l'ordre de l'Empire britannique (CBE)

1985 : Médaille d'or de la RAS

1988 : Prix Wolf

1989 : Prix Prince des Asturies

1989 : Membre de l'Ordre des compagnons d'honneur (CH)

2006 : Médaille Copley

2009 : Médaille présidentielle de la liberté

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