L’image de Stephen Hawking – décédé à l’âge de 76 ans – dans son fauteuil roulant motorisé, la tête légèrement déformée sur le côté et les mains croisées pour actionner les commandes, a frappé l’imagination du public, comme un véritable symbole du triomphe de l’esprit sur la matière. Comme pour l’oracle de Delphes de la Grèce antique, la déficience physique semblait compensée par des dons presque surnaturels, qui permettaient à son esprit de parcourir librement l’univers, révélant à l’occasion de manière énigmatique certains de ses secrets cachés à la vue du commun des mortels.
Bien sûr, une image aussi romancée ne peut représenter qu’une vérité partielle. Ceux qui ont connu Hawking ont clairement apprécié la présence dominante d’un véritable être humain, doté d’une énorme joie de vivre, d’un grand sens de l’humour et d’une énorme détermination, mais avec des faiblesses humaines normales, ainsi que ses forces les plus évidentes. Il semble clair qu’il prenait un grand plaisir à jouer son rôle communément perçu comme « le scientifique vedette numéro 1 » ; d’immenses auditoires assistaient à ses conférences publiques, peut-être pas toujours pour l’édification scientifique.
La communauté scientifique pourrait bien former une évaluation plus sobre. Il était extrêmement bien considéré, compte tenu de ses nombreuses contributions très impressionnantes, parfois révolutionnaires, à la compréhension de la physique et de la géométrie de l’univers.
Hawking avait été diagnostiqué peu après son 21e anniversaire comme souffrant d’une maladie incurable non spécifiée, qui a ensuite été identifiée comme la maladie dégénérative mortelle du motoneurone, la sclérose latérale amyotrophique, ou SLA. Peu après, plutôt que de succomber à la dépression, comme d’autres auraient pu le faire, il a commencé à s’intéresser à certaines des questions les plus fondamentales concernant la nature physique de l’univers. En temps voulu, il a remporté des succès extraordinaires contre les handicaps physiques les plus graves. Défiant l’opinion médicale établie, il réussit à vivre encore 55 ans.
Sa formation était universitaire, mais pas directement en mathématiques ou en physique. Son père, Frank, était un expert en maladies tropicales et sa mère, Isobel (née Walker), était une radicale libre-penseuse qui a eu une grande influence sur lui. Il est né à Oxford et déménage à St Albans, dans le Hertfordshire, à l’âge de huit ans. Il fait ses études à l’école de St Albans et obtient une bourse pour étudier la physique à l’University College d’Oxford. Il est reconnu comme exceptionnellement doué par ses tuteurs, mais ne prend pas son travail très au sérieux. Bien qu’il obtienne un diplôme de première classe en 1962, ce n’est pas un diplôme particulièrement exceptionnel.
Il décide de poursuivre sa carrière en physique à Trinity Hall, à Cambridge, se proposant d’étudier sous la direction de l’éminent cosmologiste Fred Hoyle. Il fut déçu de constater que Hoyle ne pouvait pas le prendre, la personne disponible dans ce domaine étant Dennis Sciama, inconnu de Hawking à l’époque. En fait, cela s’est avéré fortuit, car Sciama était en train de devenir une figure remarquablement stimulante de la cosmologie britannique, et superviserait plusieurs étudiants qui allaient se faire un nom impressionnant par la suite (y compris le futur astronome royal Lord Rees de Ludlow).
Sciama semblait savoir tout ce qui se passait en physique à l’époque, en particulier en cosmologie, et il transmettait une excitation contagieuse à tous ceux qui le rencontraient. Il était également très efficace pour réunir les personnes qui pouvaient avoir des choses importantes à communiquer les unes avec les autres.
Lorsque Hawking était dans sa deuxième année de recherche à Cambridge, j’avais (alors au Birkbeck College à Londres) établi un certain théorème mathématique de pertinence. Celui-ci montrait, sur la base de quelques hypothèses plausibles (par l’utilisation de techniques globales/topologiques largement inconnues des physiciens de l’époque) qu’une étoile surmassive s’effondrant entraînerait une singularité dans l’espace-temps – un endroit où l’on s’attendrait à ce que les densités et les courbures de l’espace-temps deviennent infinies – nous donnant l’image de ce que nous appelons maintenant un « trou noir ». Une telle singularité spatio-temporelle se situerait profondément dans un « horizon », à travers lequel aucun signal ou corps matériel ne peut s’échapper. (Cette image avait été proposée par J. Robert Oppenheimer et Hartland Snyder en 1939, mais uniquement dans le cas particulier où une symétrie sphérique exacte était supposée. Le but de ce nouveau théorème était d’éviter de telles hypothèses de symétrie irréalistes). A cette singularité centrale, la théorie classique de la relativité générale d’Einstein aurait atteint ses limites.
En attendant, Hawking avait également réfléchi à ce genre de problème avec George Ellis, qui préparait un doctorat au St John’s College de Cambridge. Les deux hommes avaient travaillé sur un type plus limité de « théorème de la singularité » qui nécessitait une hypothèse déraisonnablement restrictive. Sciama s’est fait un devoir de nous réunir, Hawking et moi, et il n’a pas fallu longtemps à Hawking pour trouver un moyen d’utiliser mon théorème d’une manière inattendue, de sorte qu’il puisse être appliqué (sous une forme inversée dans le temps) dans un cadre cosmologique, pour montrer que la singularité spatio-temporelle désignée sous le nom de « big bang » était également une caractéristique non seulement des modèles cosmologiques standard hautement symétriques, mais aussi de tout modèle qualitativement similaire mais asymétrique.
Certaines des hypothèses de mon théorème original semblent moins naturelles dans le cadre cosmologique qu’elles ne le sont pour l’effondrement en trou noir. Afin de généraliser le résultat mathématique de manière à supprimer de telles hypothèses, Hawking s’est lancé dans une étude de nouvelles techniques mathématiques qui semblaient pertinentes pour le problème.
Un puissant corps de travail mathématique connu sous le nom de théorie de Morse avait fait partie de la machinerie des mathématiciens actifs dans l’étude globale (topologique) des espaces riemanniens. Cependant, les espaces utilisés dans la théorie d’Einstein sont en réalité pseudo-riemanniens et la théorie de Morse correspondante diffère de manière subtile mais importante. Hawking a développé la théorie nécessaire pour lui-même (aidé, à certains égards, par Charles Misner, Robert Geroch et Brandon Carter) et a pu l’utiliser pour produire de nouveaux théorèmes d’une nature plus puissante, dans lesquels les hypothèses de mon théorème pouvaient être considérablement affaiblies, montrant qu’une singularité de type big-bang était une implication nécessaire de la relativité générale d’Einstein dans de larges circonstances.
Quelques années plus tard (dans un article publié par la Royal Society en 1970, alors que Hawking était devenu fellow « pour distinction en science » du Gonville and Caius College, Cambridge), lui et moi avons uni nos forces pour publier un théorème encore plus puissant qui subsumait presque tous les travaux dans ce domaine qui avaient précédé.
En 1967, Werner Israël a publié un article remarquable qui avait pour implication que les trous noirs non rotatifs, lorsqu’ils s’étaient finalement stabilisés pour devenir stationnaires, deviendraient nécessairement complètement symétriques sphériques. Des résultats ultérieurs obtenus par Carter, David Robinson et d’autres ont généralisé cette idée pour inclure les trous noirs en rotation, l’implication étant que la géométrie finale de l’espace-temps doit nécessairement correspondre à une famille explicite de solutions des équations d’Einstein trouvées par Roy Kerr en 1963. Un ingrédient clé de l’argument complet était que, s’il y a une rotation, il doit y avoir une symétrie axiale complète. Cet ingrédient a été essentiellement fourni par Hawking en 1972.
La conclusion très remarquable de tout cela est que les trous noirs que nous nous attendons à trouver dans la nature doivent se conformer à cette géométrie de Kerr. Comme l’a commenté par la suite le grand astrophysicien théorique Subrahmanyan Chandrasekhar, les trous noirs sont les objets macroscopiques les plus parfaits de l’univers, étant construits juste à partir de l’espace et du temps ; de plus, ils sont aussi les plus simples, puisqu’ils peuvent être exactement décrits par une géométrie explicitement connue (celle de Kerr).
A la suite de ses travaux dans ce domaine, Hawking a établi un certain nombre de résultats importants sur les trous noirs, comme un argument pour que son horizon des événements (sa surface limitante) doive avoir la topologie d’une sphère. En collaboration avec Carter et James Bardeen, dans des travaux publiés en 1973, il a établi des analogies remarquables entre le comportement des trous noirs et les lois fondamentales de la thermodynamique, où la surface de l’horizon et sa gravité superficielle se sont révélées être analogues, respectivement, aux quantités thermodynamiques d’entropie et de température. Il serait juste de dire que dans sa période très active qui a précédé ce travail, la recherche de Hawking en relativité générale classique était la meilleure partout dans le monde à cette époque.
Hawking, Bardeen et Carter ont pris leur comportement « thermodynamique » des trous noirs pour n’être guère plus qu’une simple analogie, sans contenu physique littéral. Un an plus tôt, Jacob Bekenstein avait montré que les exigences de la cohérence physique impliquent – dans le contexte de la mécanique quantique – qu’un trou noir doit effectivement avoir une entropie physique réelle (« entropie » étant la mesure du « désordre » par les physiciens) qui est proportionnelle à la surface de son horizon, mais il n’avait pas pu établir précisément le facteur de proportionnalité. Il avait pourtant semblé, d’autre part, que la température physique d’un trou noir devait être exactement nulle, en contradiction avec cette analogie, puisqu’aucune forme d’énergie ne pouvait s’en échapper, ce qui explique pourquoi Hawking et ses collègues n’étaient pas prêts à prendre leur analogie complètement au sérieux.
Hawking avait alors porté son attention sur les effets quantiques en relation avec les trous noirs, et il s’était lancé dans un calcul pour déterminer si de minuscules trous noirs en rotation, qui pourraient peut-être être créés lors du big bang, rayonneraient leur énergie de rotation. Il a été surpris de constater que, quelle que soit leur rotation, ils rejetteraient leur énergie – ce qui, selon la formule E=mc2 d’Einstein, signifie leur masse. Par conséquent, tout trou noir a en réalité une température non nulle, ce qui correspond précisément à l’analogie Bardeen-Carter-Hawking. De plus, Hawking a pu fournir la valeur précise « un quart » pour la constante de proportionnalité de l’entropie que Bekenstein avait été incapable de déterminer.
Ce rayonnement provenant des trous noirs que Hawking a prédit est maintenant, de manière très appropriée, appelé rayonnement de Hawking. Cependant, pour tout trou noir qui devrait apparaître dans le cadre de processus astrophysiques normaux, le rayonnement de Hawking serait extrêmement faible et certainement inobservable directement par toutes les techniques connues aujourd’hui. Mais il a soutenu que de très petits trous noirs pourraient avoir été produits lors du big bang lui-même, et que le rayonnement de Hawking de ces trous s’accumulerait en une explosion finale qui pourrait être observée. Il semble qu’il n’y ait aucune preuve de telles explosions, ce qui montre que le big bang n’était pas aussi accommodant que Hawking le souhaitait, et ce fut une grande déception pour lui.
Ces réalisations étaient certainement importantes sur le plan théorique. Ils ont établi la théorie de la thermodynamique des trous noirs : en combinant les procédures de la théorie (des champs) quantique avec celles de la relativité générale, Hawking a établi qu’il est nécessaire d’apporter également une troisième matière, la thermodynamique. Ces travaux sont généralement considérés comme les plus grandes contributions de Hawking. Qu’elles aient de profondes implications pour les futures théories de la physique fondamentale est indéniable, mais la nature détaillée de ces implications fait encore l’objet de débats très animés.
Hawking lui-même a pu conclure de tout cela (bien que ce ne soit pas avec une acceptation universelle par les physiciens des particules) que ces constituants fondamentaux de la matière ordinaire – les protons – doivent finalement se désintégrer, bien qu’avec un taux de désintégration qui échappe aux techniques actuelles pour l’observer. Il a également fourni des raisons de soupçonner que les règles mêmes de la mécanique quantique pourraient devoir être modifiées, un point de vue qu’il semblait initialement privilégier. Mais plus tard (malheureusement, à mon avis), il est arrivé à un point de vue différent, et lors de la conférence internationale de Dublin sur la gravité en juillet 2004, il a annoncé publiquement un changement d’avis (concédant ainsi un pari avec le physicien de Caltech John Preskill) concernant sa « perte d’information » initialement prédite à l’intérieur des trous noirs.
Après ses travaux sur les trous noirs, Hawking a tourné son attention vers le problème de la gravité quantique, développant des idées ingénieuses pour résoudre certaines des questions fondamentales. La gravité quantique, qui consiste à imposer correctement les procédures quantiques de la physique des particules à la structure même de l’espace-temps, est généralement considérée comme le problème fondateur non résolu le plus fondamental de la physique. L’un de ses objectifs déclarés est de trouver une théorie physique suffisamment puissante pour traiter les singularités spatio-temporelles de la relativité générale classique dans les trous noirs et le big bang.
Le travail de Hawking, jusqu’à ce point, bien qu’il ait impliqué les procédures de la mécanique quantique dans le cadre de l’espace-temps courbe de la théorie générale de la relativité d’Einstein, n’a pas fourni une théorie de la gravité quantique. Cela exigerait que les procédures de « quantification » soient appliquées à l’espace-temps courbe d’Einstein lui-même, et pas seulement aux champs physiques dans l’espace-temps courbe.
Avec James Hartle, Hawking a développé une procédure quantique pour traiter la singularité du big-bang. On parle de l’idée de « no-boundary », selon laquelle la singularité est remplacée par une « calotte » lisse, ceci étant comparé à ce qui se passe au pôle nord de la Terre, où le concept de longitude perd son sens (devient singulier) alors que le pôle nord lui-même a une géométrie parfaitement bonne.
Pour donner un sens à cette idée, Hawking avait besoin d’invoquer sa notion de « temps imaginaire » (ou « euclidianisation »), qui a pour effet de convertir la géométrie « pseudo-Riemannienne » de l’espace-temps d’Einstein en une géométrie Riemannienne plus standard. Malgré l’ingéniosité de nombre de ces idées, de graves difficultés subsistent (l’une d’entre elles étant la manière dont des procédures similaires pourraient être appliquées aux singularités à l’intérieur des trous noirs, ce qui est fondamentalement problématique).
Il y a beaucoup d’autres approches de la gravité quantique poursuivies dans le monde entier, et les procédures de Hawking, bien que très respectées et toujours étudiées, ne sont pas les plus populaires, bien que toutes les autres aient aussi leur part de difficultés fondamentales.
Jusqu’à la fin de sa vie, Hawking a poursuivi ses recherches sur le problème de la gravité quantique, et les questions connexes de la cosmologie. Mais parallèlement à ses intérêts de recherche, il s’est de plus en plus impliqué dans la vulgarisation de la science, et de ses propres idées en particulier. Cela a commencé avec la rédaction de son livre au succès stupéfiant, Une brève histoire du temps (1988), qui a été traduit dans une quarantaine de langues et vendu à plus de 25 millions d’exemplaires dans le monde.
Sans aucun doute, le titre brillant a contribué au succès phénoménal du livre. De plus, le sujet est un élément qui frappe l’imagination du public. Il y a aussi un style direct et clair, que Hawking a dû développer par nécessité en essayant de faire face aux limitations imposées par ses handicaps physiques. Avant d’avoir besoin de s’en remettre à sa parole informatisée, il ne pouvait parler qu’avec beaucoup de difficultés et d’efforts, et il devait donc faire ce qu’il pouvait avec des phrases courtes qui allaient directement au but. En outre, il est difficile de nier que sa condition physique a dû elle-même capter l’imagination du public.
Bien que la diffusion de la science auprès d’un public plus large ait certainement été l’un des objectifs de Hawking en écrivant son livre, il avait aussi le but sérieux de gagner de l’argent. Ses besoins financiers étaient considérables, comme l’exigeait son entourage composé de sa famille, d’infirmières, d’aides soignantes et d’équipements de plus en plus coûteux. Une partie, mais pas la totalité, était couverte par des subventions.
Inviter Hawking à une conférence impliquait toujours de sérieux calculs de la part des organisateurs. Les frais de voyage et d’hébergement seraient énormes, notamment en raison du nombre de personnes qui devraient l’accompagner. Mais une conférence populaire de M. Hawking fait toujours salle comble et des dispositions spéciales sont nécessaires pour trouver une salle de conférence suffisamment grande. Un facteur supplémentaire serait de s’assurer que toutes les entrées, les escaliers, les ascenseurs, et ainsi de suite, seraient adéquats pour les personnes handicapées en général, et pour son fauteuil roulant en particulier.
Il a clairement profité de sa célébrité, saisissant de nombreuses occasions de voyager et de vivre des expériences inhabituelles (comme descendre dans un puits de mine, visiter le pôle Sud et subir l’apesanteur de la chute libre), et de rencontrer d’autres personnes distinguées.
Le polissage de présentation de ses conférences publiques a augmenté avec les années. A l’origine, le matériel visuel était constitué de dessins au trait sur des transparents, présentés par un étudiant. Mais dans les années suivantes, des images impressionnantes générées par ordinateur ont été utilisées. Il contrôlait le contenu verbal, phrase par phrase, tel qu’il était prononcé par sa voix à l’accent américain générée par ordinateur. Des images de haute qualité et des graphiques générés par ordinateur ont également été utilisés dans ses derniers livres populaires, The Illustrated Brief History of Time (1996) et The Universe in a Nutshell (2001). Avec sa fille Lucy, il a écrit le livre scientifique expositif pour enfants George’s Secret Key to the Universe (2007), et il a servi d’éditeur, de coauteur et de commentateur pour de nombreux autres ouvrages de vulgarisation scientifique.
Il a reçu de nombreuses distinctions et honneurs élevés. En particulier, il a été élu membre de la Royal Society à l’âge remarquablement précoce de 32 ans et a reçu sa plus haute distinction, la médaille Copley, en 2006. En 1979, il est devenu le 17e titulaire de la chaire Lucasian de philosophie naturelle à Cambridge, quelque 310 ans après que Sir Isaac Newton en ait été le deuxième titulaire. Il est devenu Compagnon d’honneur en 1989. Il a fait une apparition dans l’émission télévisée Star Trek : The Next Generation, est apparu sous forme de dessin animé dans Les Simpsons et a été représenté dans le film La théorie du tout (2014).
Il est clair qu’il devait beaucoup à sa première femme, Jane Wilde, qu’il a épousée en 1965 et avec qui il a eu trois enfants, Robert, Lucy et Timothy. Jane a été d’un soutien exceptionnel pour lui à bien des égards. L’un des plus importants pourrait bien avoir été de lui permettre de faire des choses pour lui-même dans une mesure inhabituelle.
Il était une personne extraordinairement déterminée. Il insistait pour faire les choses par lui-même. Ceci, à son tour, a peut-être maintenu ses muscles actifs d’une manière qui a retardé leur atrophie, ralentissant ainsi la progression de la maladie. Néanmoins, son état a continué à se détériorer, jusqu’à ce qu’il n’ait presque plus de mouvement et que son discours soit à peine perceptible, sauf par un très petit nombre de personnes qui le connaissaient bien.
Il a contracté une pneumonie lors d’un séjour en Suisse en 1985, et une trachéotomie a été nécessaire pour lui sauver la vie. Étrangement, après avoir frôlé la mort, la progression de sa maladie dégénérative a semblé ralentir pour s’arrêter pratiquement. Sa trachéotomie empêchait toute forme de parole, cependant, de sorte que l’acquisition d’un synthétiseur de parole informatisé est devenue une nécessité à cette époque.
A la suite de sa rencontre avec la pneumonie, la maison des Hawkings a été presque prise d’assaut par les infirmières et les assistants médicaux, et lui et Jane se sont éloignés. Ils ont divorcé en 1995. La même année, Hawking épouse Elaine Mason, qui avait été l’une de ses infirmières. Son soutien prend une forme différente de celui de Jane. Dans son état physique très affaibli, l’amour, les soins et l’attention qu’elle lui prodigue le soutiennent dans toutes ses activités. Pourtant, cette relation a également pris fin, et Elaine et lui ont divorcé en 2007.
Malgré sa terrible condition physique, il est presque toujours resté positif face à la vie. Il appréciait son travail, la compagnie d’autres scientifiques, les arts, les fruits de sa renommée, ses voyages. Il prenait beaucoup de plaisir avec les enfants, qu’il amusait parfois en les faisant pivoter dans son fauteuil roulant motorisé. Les questions sociales le préoccupaient. Il encourageait la compréhension scientifique. Il pouvait être généreux et avait très souvent de l’esprit. Il pouvait parfois faire preuve de l’arrogance qui n’est pas rare chez les physiciens travaillant à la pointe du progrès, et il avait un côté autocratique. Pourtant, il pouvait aussi faire preuve d’une véritable humilité qui est la marque de la grandeur.
Hawking a eu de nombreux étudiants, dont certains se sont fait un nom par la suite. Pourtant, il n’était pas facile d’être un de ses élèves. Il était connu pour écraser avec son fauteuil roulant le pied d’un étudiant qui l’irritait. Ses déclarations avaient une grande autorité, mais ses difficultés physiques les rendaient souvent énigmatiques dans leur brièveté. Un collègue capable pourrait être en mesure de démêler l’intention derrière eux, mais ce serait une autre affaire pour un étudiant inexpérimenté.
Pour un tel étudiant, une rencontre avec Hawking pourrait être une expérience intimidante. Hawking pourrait demander à l’étudiant de suivre une voie obscure, dont la raison pourrait sembler profondément mystérieuse. Il n’y a pas de clarification possible, et l’étudiant se voit présenter ce qui ressemble à la révélation d’un oracle – quelque chose dont la vérité ne doit pas être mise en doute, mais qui, s’il est correctement interprété et développé, mène sûrement à une vérité profonde. Peut-être avons-nous tous cette impression maintenant.
Hawking laisse derrière lui ses enfants.
– Stephen William Hawking, physicien, né le 8 janvier 1942 ; mort le 14 mars 2018
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