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Stephen W. HAWKING
Le physicien théoricien et cosmologiste britannique Stephen Hawking a acquis une renommée mondiale pour ses travaux sur la nature de l’espace et du temps, et comme auteur d’Une brève histoire du temps, un ouvrage scientifique qui prit rang de best-seller. L’œuvre théorique de Hawking prend un relief d’autant plus remarquable qu’une très grave maladie invalidante le rend incapable de s’exprimer oralement et qu’il possède seulement une capacité limitée de mouvoir ses mains.

1.D’Oxford à Cambridge
Hawking naît à Oxford, le 8 janvier 1942, trois cents ans jour pour jour après la mort de Galilée. Il déclare, à propos de cette étonnante coïncidence: “J’estime que deux cent mille bébés environ sont nés ce même jour, et j’ignore si aucun d’entre eux s’est, depuis lors, intéressé à la cosmologie.” Le jeune Stephen fréquente l’école primaire, où il n’apprend à lire qu’assez lentement, et ne se révèle jamais un “fort en thème”. Son père, un médecin, souhaite qu’il étudie la médecine à l’Université; de ce fait, Hawking n’acquerra qu’un bagage mathématique succinct à l’école secondaire. Cependant, il montre beaucoup d’intérêt pour les sciences physiques, et il réussit à entrer à l’université d’Oxford pour étudier la physique, à University College, à partir de 1959.
Hawking décrit Oxford en ce temps-là comme “très anti-travail — vous étiez censé être très brillant et n’accomplir aucun effort, ou prendre conscience de vos limites et n’obtenir qu’un classement médiocre aux examens finals”. Hawking affirme n’avoir pas accompli plus de mille heures d’études en trois ans à Oxford, et il attribue ce fait à un ennui absolu et au sentiment que rien ne justifiait un quelconque effort. En dépit de cette atmosphère, il obtient les plus hautes distinctions aux examens de sortie.
Cette lassitude, qui semblait si profondément enracinée en lui à Oxford, disparaît brusquement dès son arrivée à l’université de Cambridge, en 1962, où il prépare un doctorat en relativité générale. Cependant, il ressent les premières atteintes de la maladie: ses mouvements deviennent maladroits. On diagnostique une sclérose amyotrophique latérale, une affection incurable du système nerveux central qui inhibe progressivement mais rapidement les fonctions motrices cérébrales. La maladie commence par évoluer très vite, et Hawking pense qu’il ne vivra pas assez longtemps pour achever son travail doctoral. Mais, alors qu’il est sur le point d’abandonner ses recherches, il tombe amoureux de Jane Wilde, qui va lui donner une raison de vivre. Ils se marient très vite, en 1965, et Hawking retourne à ses travaux avec un enthousiasme renouvelé, en même temps qu’il se met en quête d’une situation.

2.Du big bang aux trous noirs
Dès le début, les recherches de Hawking sont centrées sur les singularités dans l’Univers. Une singularité est un concept mathématique qui peut être visualisé comme une région de l’espace-temps qui a acquis une courbure si grande que les grandeurs physiques normales y sont infinies et que les lois ordinaires de la physique cessent d’être applicables. L’espace-temps est un réseau à quatre dimensions qui est utilisé en physique théorique pour repérer les événements et décrire leurs relations spatio-temporelles. Un exemple fameux de singularité est fourni par le big bang, qui donna naissance à l’Univers en expansion que nous observons aujourd’hui. C’est à cette singularité initiale que Hawking consacre ses premiers travaux.
L’observation des galaxies lointaines montre que l’Univers est en expansion, ce qui implique que les galaxies étaient, dans le passé, plus proches les unes des autres. On peut alors se demander si, à un moment donné, la matière qui les constitue était rassemblée en une singularité de densité infinie. La réponse à cette question exige l’élaboration d’un appareil mathématique nouveau, que Stephen Hawking développe avec Roger Penrose entre 1965 et 1970. Ils montrent que l’Univers est nécessairement passé par un stade de densité infinie: il s’agit de la singularité du big bang, qui marque le commencement de notre Univers.
Dans les années soixante-dix, Hawking se tourne vers l’étude d’un autre type de singularité: les étoiles effondrées. La théorie de la relativité générale prédit que, lorsqu’une étoile a épuisé son combustible nucléaire, elle s’effondre sous l’effet de sa propre gravité.
Mais, si des étoiles semblables à notre Soleil peuvent aboutir au stade stable de naine blanche, Hawking montre que les étoiles plus massives continuent de se contracter jusqu’à atteindre une densité infinie: cette singularité marque, pour l’astre en son entier, la fin du temps. Le champ gravitationnel devient si fort que rien ne peut plus s’échapper de la singularité. Une telle région est appelée un trou noir, et sa frontière constitue l’horizon des événements.
Poursuivant ses recherches sur les trous noirs, Hawking montre que la superficie de la surface qui constitue l’horizon des événements ne peut décroître dans le temps. Une nuit, il a l’intuition que, si deux trous noirs entrent en collision, la superficie de l’horizon des événements du nouveau trou noir ainsi formé sera plus grande que la somme des superficies des horizons des trous noirs originels: “J’étais tellement bouleversé par cette découverte que je ne pus retrouver le sommeil de toute la nuit”, se souvient-il.

3.Les trous noirs ne sont pas noirs!
Entre 1970 et 1974, Hawking poursuit ses recherches sur les trous noirs avec plusieurs collaborateurs. Avec Brandon Carter et Werner Israel, il démontre le théorème connu humoristiquement sous la formulation: “un trou noir n’a pas de poils”. Cela signifie que les seules propriétés qui sont conservées lorsque de la matière est absorbée par un trou noir sont la masse, le moment angulaire et la charge électrique: toutes les autres propriétés (ainsi, la forme, la composition chimique, le fait même que l’on ait affaire à de la matière ou à de l’antimatière...) sont détruites.
En 1974, Hawking énonce la conjecture étonnante que les trous noirs ne sont pas réellement noirs! En appliquant les lois de la théorie quantique à un trou noir, il montre que, au niveau quantique — c’est-à-dire à l’échelle la plus petite de la réalité physique —, des particules et du rayonnement “s’évaporent” du trou noir. Il s’agit là d’une conséquence du principe d’incertitude de Heisenberg, qui conduit à la création fugace de particules “virtuelles” au voisinage de l’horizon des événements. Le rayonnement des trous noirs ainsi que leur éventuelle évaporation sont connus sous le nom d’effet Hawking. En définitive, le trou noir explose dans une gerbe de rayonnement.

4.La théorie du tout
Depuis une vingtaine d’années, Stephen Hawking a presque exclusivement travaillé sur une théorie du tout. Il existe en physique quatre interactions fondamentales: la gravitation — qui est décrite par la relativité générale —, la force électromagnétique et les forces nucléaires forte et faible. Les physiciens ont déjà réussi à élaborer une théorie unique qui unifie l’électromagnétisme et les forces nucléaires forte et faible. Dans l’Univers primordial, jusqu’à un âge de un millionième de millionième de seconde (10—12 seconde), ces trois interactions étaient unifiées en une seule force quantique. Il s’agit maintenant de trouver une théorie physique cohérente qui unifie la relativité générale et les lois quantiques. On aboutirait alors à une théorie complète de la gravitation quantique. Cette théorie physique unique rendrait compte de la gravitation, de l’électromagnétisme et des forces nucléaires. De plus, des constantes physiques comme la célérité de la lumière ou la valeur de la constante de la gravitation universelle pourraient être calculées à partir des principes fondamentaux, alors que, jusqu’à présent, elles ne sont connues que par l’observation et la mesure.
Les recherches sur la gravitation quantique ont conduit Hawking pratiquement au commencement du temps. Il est déjà acquis que la théorie de la gravitation quantique fournit les lois qui gouvernèrent l’Univers entre le temps zéro et le temps 10—43 seconde (après le big bang). Dans cet intervalle, toutes les propriétés fondamentales de l’espace-temps, la nature de l’Univers ainsi que celle des lois physiques sont définies.
Une conséquence de ces recherches est la proposition, formulée par Hawking et James Hartle (de l’université de Californie, à Santa Barbara), que l’espace et le temps sont tous les deux d’extension finie, mais sans frontière ni borne. Dans un monde à trois dimensions, nous sommes familiarisés avec le fait que la surface de la Terre, qui est finie, n’a pas de frontière. Dans l’espace-temps compact à quatre dimensions de l’Univers primordial, la distinction entre l’espace et le temps est indécise, floue, et il n’existe aucune frontière. D’après Hawking, cela signifie que l’Univers peut être décrit par un modèle mathématique qui est complètement déterminé par les seules lois de la physique. Nous ne connaissons pas encore de manière précise la forme des lois qui gouvernent le comportement de l’Univers sous des conditions extrêmes. Mais Hawking et son école espèrent pouvoir les formuler avant la fin du XXe siècle.
Si une théorie unique apparaît, nous permettra-t-elle de tout prédire dans l’Univers, ce qui déterminerait la fin de la physique théorique? Hawking répond à cette question par la négative. “Notre pouvoir de prédiction demeurera très limité, d’une part, par le principe d’incertitude (qui énonce que certaines grandeurs ne peuvent être déterminées exactement), d’autre part, à cause de la complexité des équations, qui les rend impossibles à résoudre, sauf dans les cas les plus simples. Nous sommes encore très éloignés de l’omniscience.”

5.La lutte contre l’infirmité
Stephen Hawking exerce une influence profonde sur tous ceux qui travaillent avec lui. Ce fut pour lui un choc immense d’apprendre qu’il souffrait d’une affection du système nerveux central. Jusqu’en 1974, il était encore capable de s’alimenter; son épouse s’occupait du foyer et élevait leurs deux premiers enfants (ils en ont actuellement trois) sans aucune aide. Ensuite, jusqu’en 1980, un ou plusieurs de ses étudiants vinrent vivre avec eux pour les aider, mais, après 1980, il devint nécessaire de faire appel à une garde-malade professionnelle. En 1985, à la suite d’une pneumonie, on dut pratiquer une trachéotomie pour le sauver. Cette opération lui ôta l’usage de la parole. Il est aujourd’hui assisté vingt-quatre heures sur vingt-quatre, cette assistance étant rémunérée grâce à des subsides en provenance de plusieurs fondations; grâce à cette aide, il peut encore voyager et assister à des congrès scientifiques.
Hawking communique à présent à l’aide d’un ordinateur installé sur son fauteuil roulant. En utilisant les mouvements de faible amplitude que peuvent encore accomplir ses mains, il manipule une sorte de souris qui lui permet de déplacer un curseur sur un écran. Des menus en cascade lui permettent de sélectionner des mots et d’afficher une phrase à la vitesse de quinze mots environ par minute. Le texte est traduit par un synthétiseur vocal qui donne l’apparence d’un langage parlé avec un fort accent américain!
Hawking utilise le même ordinateur en traitement de texte, pour écrire des livres et, même, les formules mathématiques complexes de ses articles scientifiques. Il peut également donner des coups de fil grâce à une liaison entre le processeur vocal et un téléphone portable. Hawking, soulignons-le, est à l’origine d’améliorations importantes des systèmes de communication des handicapés. Il mène inlassablement des campagnes en vue de faciliter la vie courante des handicapés et a ouvertement critiqué l’université de Cambridge, à laquelle il reproche de n’avoir pas mis en place les installations adéquates pour les personnes en fauteuil roulant.
Hawking considère qu’il est à ce point de son devoir de mener, autant que faire se peut, une vie “normale” qu’il a récemment fait campagne, dans des spots télévisés, en faveur d’un parti politique et qu’il est apparu jouant aux échecs contre Einstein dans un film de science-fiction.
Son livre si populaire sur la cosmologie, Une brève histoire du temps, fit sensation parmi les éditeurs. Au Royaume-Uni, il tint pendant trois ans le rang de best-seller des ouvrages de non-fiction. Ce succès, un excellent exemple de l’intérêt du grand public pour la science, est dû à la rencontre du savoir-faire en matière de marketing de l’éditeur new-yorkais Bantam Press et du caractère unique du destin de Hawking luttant contre l’adversité avec une volonté extraordinaire. Stephen Hawking, pour toutes ces raisons, est l’un des plus remarquables physiciens de notre temps.