La thèse de doctorat du scientifique vivant le plus célèbre au monde, Professeur Stephen Hawking, a récemment été rendu public en ligne. Il s'est avéré si populaire que la demande de le lire aurait fait planter son site Web hôte lors de sa première mise en ligne.

Mais étant donné la complexité du sujet - "Properties of Expanding Universes" - et le fait que le livre de Hawking Une brève histoire du temps est également connu comme le livre le plus non lu de tous les temps, vous pourriez bénéficier d'un résumé de son résultat principal.

La thèse porte sur plusieurs sujets, y compris le rayonnement gravitationnel récemment découvert, mais le dernier chapitre est la partie que de nombreux physiciens considèrent comme la plus importante. Il traite de la naissance de l'univers lui-même, et s'intitule simplement "Singularités".

Théories de la création

La principale réalisation de la thèse de Hawking était de montrer efficacement que la théorie du Big Bang sur la façon dont l'univers a commencé à partir d'un seul point était physiquement possible. Ce n'était pas seulement une nuisance mathématique issue des équations que les physiciens avaient développées pour décrire l'évolution possible du cosmos.

Le concept que l'univers a commencé il y a un temps fini dans un Big Bang est maintenant un fait scientifique accepté, et pourtant cela reste une idée étonnante. Imaginez :toute la matière de votre corps était autrefois – sous une forme ou une autre – compressée dans le même petit volume que la galaxie la plus éloignée et tout le reste. Il y a environ 14 milliards d'années, ce point s'est rapidement étendu pour créer de l'espace et du temps. Il continue de s'étendre aujourd'hui.

Au moment du doctorat de Hawking dans les années 1960, les scientifiques se disputaient encore l'idée. Une alternative populaire au Big Bang était le modèle Steady State. Les partisans du modèle de l'état stable étaient mal à l'aise avec un univers d'âge fini qui a commencé de cette manière. En réalité, le surnom de "Big Bang" a été inventé comme un terme dérisoire par le champion de Steady State Fred Hoyle. Pour comprendre comment Hawking a montré que c'était vraiment possible, nous avons besoin d'un peu de physique de base.

Espace-temps et singularités

Au début du 20e siècle, Albert Einstein a révolutionné notre compréhension de la gravité grâce à sa théorie de la relativité générale. Einstein a montré que nous pouvions considérer la gravité comme la courbure de l'espace-temps, causé par la présence de masse ou d'énergie.

L'espace-temps est une façon de penser le cadre de l'univers qui combine l'espace tridimensionnel et le temps unidimensionnel. Tous les objets existent et tous les événements se produisent quelque part dans l'espace-temps. Mais c'est difficile à imaginer pour la plupart des gens parce que, bien que nous puissions nous déplacer librement dans l'espace tridimensionnel, nous ne pouvons pas voyager où nous voulons à travers le temps. C'est un peu comme être un insecte piégé à la surface d'un étang. Il ne peut se déplacer que dans deux dimensions, bien qu'il y ait une autre dimension spatiale à explorer.

La relativité générale exprime comment l'espace et le temps sont liés. Dans sa théorie, Einstein a décrit avec élégance comment la courbure de l'espace-temps est liée à la densité de masse et d'énergie dans ses « équations de champ ».

Après la publication de ces équations, d'autres scientifiques les ont utilisés pour explorer ce qui arrive à l'espace-temps dans différentes situations physiques. Dans le cas d'objets où toute la matière est concentrée en un seul point, les équations de champ prédisent quelque chose d'inhabituel :la courbure de l'espace-temps devient si extrême que même la lumière ne peut s'échapper. Aujourd'hui, nous savons que ces objets existent réellement sous forme de trous noirs, et nous en avons depuis trouvé des preuves dans l'espace.

Ces situations où les solutions des équations deviennent infinies sont appelées "singularités". Le dernier chapitre de la thèse de Hawking a exploré cette idée de singularités, pas pour l'espace-temps autour des trous noirs, mais pour l'univers entier.

Des trous noirs au Big Bang

En cosmologie, un principe central est que l'espace doit, en moyenne, être homogène et isotrope. En d'autres termes, à grande échelle, le contenu de l'univers doit être assez uniformément réparti et se ressembler dans toutes les directions.

La solution la plus simple aux équations de champ d'Einstein qui satisfait ces conditions est appelée la « métrique de Robertson-Walker », du nom des scientifiques impliqués dans son développement. La métrique est simplement le terme que nous utilisons pour décrire l'intervalle entre deux événements dans l'espace-temps.

Surtout, la solution de Robertson-Walker permet à la partie spatiale de la métrique de changer avec le temps. Cela signifie qu'il peut décrire un univers dans lequel l'espace lui-même est en expansion. Edwin Hubble a trouvé des preuves que l'univers est vraiment en expansion dans les années 1920 en montrant que d'autres galaxies s'éloignent de nous.

La métrique de Robertson-Walker et les équations de champ nous permettent de décrire cette expansion en termes de ce que les cosmologues appellent le "facteur d'échelle", décrivant combien d'espace s'est agrandi ou rétréci entre un moment donné et le jour présent.

Si l'univers est en expansion, il aurait dû être plus petit et plus dense dans le passé. Reculez suffisamment l'horloge et le facteur d'échelle devrait atteindre zéro. Toute la matière et l'énergie de l'univers devaient être contenues en un seul point d'une densité infinie :une singularité cosmologique. C'est la base du modèle Big Bang, un peu comme un trou noir à l'envers.

Mise au rebut de l'état d'équilibre

Le modèle de l'état stable a tenté d'éliminer la singularité cosmologique, ce que beaucoup ont soutenu n'était pas plausible. Les singularités étaient considérées comme des lacunes des prédictions de la relativité générale et non conformes aux lois connues de la physique.

Dans le modèle d'état stable, l'univers est éternel et n'a pas du tout de commencement. Son expansion apparente peut être expliquée en ajoutant un "champ de création" ou un champ C aux équations d'Einstein, ce qui signifierait que la matière est continuellement créée dans l'espace entre les galaxies lorsqu'elles s'éloignent.

Mais dans le dernier chapitre de sa thèse de doctorat, Hawking a soutenu que l'idée d'un champ C venait avec son propre ensemble de problèmes et que le bon modèle impliquait la solution de Robertson-Walker décrivant une singularité initiale.

Ce qu'il a fait ensuite était ce que beaucoup considèrent comme révolutionnaire. S'appuyant sur les travaux de son collègue physicien britannique Roger Penrose, Hawking a prouvé mathématiquement que les singularités n'étaient pas un défaut de la théorie mais des caractéristiques attendues de la nature. Il a effectivement démontré que la relativité générale permettait un univers qui commençait dans une singularité.

Un demi-siècle plus tard, les preuves d'observation du scénario de création du Big Bang sont accablantes et le modèle de l'État stable a longtemps été abandonné. Hawking a continué à apporter d'autres contributions monumentales à la cosmologie et à la physique théorique. La lecture de la thèse de Hawking est un aperçu d'un esprit exceptionnellement créatif - et les premières étapes de la découverte de ce qui a été un voyage scientifique remarquable.

Cet article a été initialement publié sur The Conversation. Lire l'article original.