Les 4 questions fondamentales de Stephen Hawking 6 ans après sa mort

Stephen Hawking est mort il y a 6 ans.

Sur son site web personnel (aujourd'hui remplacé), Hawking se définissait comme un "cosmologiste, un voyageur de l'espace et un héros". En fait, il était les trois à la fois.

Il affirmait travailler sur les lois fondamentales régissant l'univers et décrivait ses trois principales découvertes.

Nous les résumons ici. Et nous aborderons, à partir de celles-ci, quatre questions transcendantales auxquelles Hawking a apporté des réponses : Où naissent le temps et l'espace ? Où meurent-ils ? L'univers est-il fini ? L'humanité y a-t-elle un avenir ?

Einstein comme base

Le travail de Hawking prend comme point de départ l'extraordinaire théorie que nous avons sur le cosmos : la relativité générale d'Albert Einstein.

Une conception révolutionnaire du temps et de l'espace (de l'espace-temps), basée sur le principe de l'équivalence des forces. Elle est le résultat d'un instant eurêka : une chute libre imaginée par Einstein depuis le toit de sa maison.

De sa logique pénétrante, basée sur des principes incroyablement évidents, a émergé une seule loi possible pour le cosmos, donnée par ses équations du champ relativiste.

Lesquelles, pour notre univers, selon le principe cosmologique, n'admettent qu'une seule solution : celle de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker.

Un résultat exceptionnel : une seule équation et une seule solution possibles pour l'univers !

Hawking est parti de là et a pu aller plus loin, avec des théorèmes de singularité surprenants (Hawking-Penrose) et des résultats sur la thermodynamique de l'espace-temps (Bekenstein-Hawking).

Grâce à eux, il a pu répondre à des questions éternelles.

Où naissent le temps et l'espace ?

En s'appuyant sur la théorie d'Einstein, Hawking a conclu que notre univers avait une origine dans le passé, un commencement. Il s'agit là de sa première découverte.

Les théorèmes de singularité de Hawking et de Penrose affirment que l'espace-temps a commencé à une singularité : le Big Bang.

On le démontre en remontant le temps, en utilisant les équations de la théorie et les conditions qui régnaient dans l'univers primitif (recréé, en partie, dans de grands laboratoires comme le CERN).

Il arrive un moment où le temps et l'espace disparaissent : il n'est plus possible de revenir en arrière. C'est de là qu'elle vient ! C'est comme si l'on cherchait les sources du Nil, comme l'a fait Livingstone, l'endroit exact où il est né.

Et où finissent-ils ?

L'espace-temps prend fin dans chacun des trous noirs qui se forment constamment dans le cosmos.

Ce sont les autres singularités issues des théorèmes de Hawking-Penrose. Des puits où le temps et l'espace disparaissent à jamais.

Ces résultats ont conduit à la nécessité de quantifier la gravité pour pouvoir les valider à de très petites échelles.

Ce n'est qu'à cette condition qu'ils pourront être considérés comme définitifs, et non comme de simples approximations classiques de la réalité. En d'autres termes, il fallait combiner la relativité générale d'Einstein et la physique quantique : les deux grandes théories du XXe siècle.

Un premier pas dans cette direction a été fait par Hawking lui-même, avec sa deuxième grande découverte : le rayonnement de Hawking.

"Tout trou noir de Schwarzschild de masse M émet un rayonnement électromagnétique comme s'il s'agissait d'un corps noir parfait à la température : T = ħc³/8πGMk."

Cette formule magique combine les constantes fondamentales les plus importantes de la nature : celle de Planck (physique quantique), la vitesse de la lumière, c (physique relativiste), la gravitation universelle, G (physique newtonienne), celle de Boltzmann, k (physique thermodynamique) et le nombre π (mathématiques).

Toutes les grandes théories physiques réunies dans une formule simple. Une belle symphonie universelle !

Hawking a ainsi ouvert de nouvelles voies inexplorées. L'une d'entre elles concerne la quantification de la gravité. L'autre est la théorie émergente de l'information quantique et ses surprenants paradoxes cosmiques.

Notre univers est-il limité ?

Cette question a intrigué de nombreuses générations. Pendant des siècles, on a cru que l'univers était éternel, infini dans l'espace et le temps. Puis il a changé d'avis à plusieurs reprises.

Jusqu'à ce que Hawking et Hartle montrent que si le temps était imaginaire au début, alors l'univers n'aurait ni bords ni limites.

Il serait fini, mais illimité, et il n'y aurait pas de singularité initiale. Son origine serait alors déterminée par les lois de la physique.

Il s'agissait en quelque sorte de sa troisième découverte, la conjecture de Hartle-Hawking sur un univers auto-entretenu.

L'humanité a-t-elle un avenir dans l'univers ?

Au cours des dernières années de sa vie, Hawking a analysé les problèmes très graves auxquels nous sommes confrontés.

Il a conclu qu'ils pourraient devenir mortels pour l'humanité si nous ne les résolvons pas dans les cent prochaines années.

Hawking était optimiste : il a prédit que d'ici là, nous aurions établi des colonies autonomes en dehors de la Terre.

Et les progrès de l'intelligence (humaine et artificielle) auront trouvé la solution aux nombreux problèmes qui nous guettent aujourd'hui. Un nouvel horizon de siècles d'espoir s'ouvrira alors.

Le dernier conseil qu'il a donné aux jeunes scientifiques (qui ont toujours été son public préféré) a été de conserver ce sentiment merveilleux lorsqu'ils contemplent notre univers vaste et complexe : "Il n'y a rien de tel que de vivre un moment Eureka, de découvrir pour la première fois quelque chose que personne ne connaissait".

Jusqu'à ce que l'univers disparaisse, ou que nous disparaissions, les découvertes extraordinaires que Stephen Hawking nous a léguées - comme sa belle formule, désormais gravée sur sa tombe - génèreront de nouvelles connaissances.

Dans cet espace-temps unique où nous nous souvenons de lui aujourd'hui, six ans après sa mort.

*Emilio Elizalde est maître de recherche en physique théorique et en cosmologie à l'Institut des sciences de l'espace (ICE - CSIC). Cet article a été publié dans The Conversation. Vous pouvez lire la version originale ici.