Les deux découvertes fondamentales de Stephen Hawking
Dans sa théorie de la relativité générale qu’il a publiée en 1915, Einstein prédisait l’existence de trous noirs, mais la communauté scientifique a ignoré ce résultat pendant 50 ans, jugeant les trous noirs des objets trop bizarres pour exister dans l’univers. En 1970, alors qu’il s’intéresse aux trous noirs, Hawking fait une analogie entre ces objets célestes si compacts que l’intensité de leur champ gravitationnel empêche toute matière, voire la lumière, de s’en échapper, et le Big Bang. «Lors de la formation d’un trou noir qui survient à la suite de l’effondrement d’une étoile, la matière de cette étoile est compressée et devient donc de plus en plus dense, jusqu’à devenir un point infiniment petit qui n’a pas de dimensions et qui a une densité techniquement infinie. Ce point est une singularité par le fait que ses paramètres sont infinis», explique Julie Hlavacek-Larrondo, professeure adjointe au Département de physique de l’Université de Montréal. «Or, Hawking a réalisé que le Big Bang partait d’une singularité, soit un point infiniment petit et infiniment dense, qui a explosé. Grâce aux contributions de Hawking, la communauté scientifique a commencé à croire en l’existence des trous noirs.»
Mais comme les lois de la physique ne marchent plus quand nous arrivons dans l’infiniment dense et l’infiniment petit, « ainsi, en démontrant l’existence de plusieurs singularités dans la théorie d’Einstein, Stephen Hawking mettait en évidence le fait que cette théorie est incomplète et ne peut pas être utilisée pour décrire adéquatement l’univers », ajoute Robert Brandenberger.
L’autre contribution
Stephen Hawking a tenté de relier la relativité générale qui décrit l’infiniment grand, comme en l’occurrence les trous noirs, et la mécanique quantique qui décrit l’infiniment petit. Le grand défi de la physique étant d’unifier les deux théories pour en arriver à une théorie du tout qui décrirait toutes les dimensions de l’univers. Pour ce faire, il a proposé une théorie appelée rayonnement de Hawking ou évaporation de Hawking, qui prédit que les trous noirs s’évaporent. « Le trou noir comprend une singularité en son centre. Cette singularité est entourée d’une frontière, nommée l’horizon. À l’intérieur de l’horizon, la gravité est tellement forte que rien ne peut s’échapper, même la lumière, tandis qu’une particule se trouvant à l’extérieur de cette barrière pourra s’échapper si elle a assez d’énergie. La théorie du rayonnement de Hawking prédit l’existence de cette frontière », précise la physicienne. Or, la théorie de la mécanique quantique affirme que l’énergie présente au niveau de l’horizon peut être convertie en une paire de particules, dont l’une se retrouvera à l’intérieur de l’horizon et l’autre à l’extérieur. Celle qui est à l’intérieur ne pourra jamais sortir du trou noir et est donc perdue à tout jamais, tandis que celle qui est à l’extérieur pourra s’échapper si elle possède suffisamment d’énergie. « Le trou noir perd ainsi une partie de son énergie qui se disperse dans l’univers. Avec le temps, il en vient à perdre toute son énergie, et donc toute sa masse, on dit alors qu’il se sera évaporé. »
« C’est une première étape pour relier la relativité générale d’Einstein et la mécanique quantique. Mais il y a encore beaucoup de travail à faire, car il n’existe pas encore de solution », souligne la chercheuse.