cosmologie

The time: spring 1984. Le lieu: une salle de conférence à l’Université de Cambridge.

Les étudiants se pressent dans les sièges. Devant le tableau noir, une scène s’élève un pied au-dessus du sol de la salle. Sur la scène, un homme en fauteuil roulant parle dans un murmure à un étudiant diplômé. L’étudiant a des lunettes teintées de rouge et porte une veste douce de couleur Crème., L’homme: murmure, murmure, murmure. L’étudiant: « le Professeur Hawking dit, » Cette conférence est sur le bord de l’univers.’ ” Murmure, murmure, murmure. « Le bord de l’univers est très loin.” Murmure, murmure. « Néanmoins, nous pouvons toujours l’imaginer comme suit… » l’étudiant dessine un diagramme sur le tableau. La conférence se poursuit, Hawking murmurant, et l’étudiant traduisant. Le sujet est complexe, mais le flux est clair. Hawking est un conférencier exceptionnel, et parce que tout est dit deux fois, une fois dans un murmure et une fois en traduction, il y a plus de temps pour réfléchir.,

L’occasion est le séminaire de Stephen Hawking sur la gravité quantique, et il parle de ses derniers travaux. Le public est ravi et Hawking est excité. Il est impatient que l’étudiant termine chaque traduction, et pendant que l’étudiant parle et écrit au tableau, Hawking s’agite. Confiné par une maladie dégénérative du motoneurone, il ne peut bouger que ses doigts, qu’il utilise pour déplacer son fauteuil roulant d’un côté à l’autre – dzzt, dzzt – pendant que l’étudiant parle – dzzt, dzzt. Chaque fois qu’il se déplace d’un côté à l’autre, cependant, il se déplace aussi imperceptiblement en arrière., Une demi-heure après la conférence, un énorme crash brise le sort. Le fauteuil roulant de Hawking se détache du bord de la scène et est allongé sur le dos sur le sol. Les pieds de Hawking pendent dans les airs et les étudiants sautent à droite de la chaise. Il est froissé à un angle étrange, secouant violemment. Est-il en train de mourir? N’ – il en riant. Murmure, murmure, murmure. « Le professeur Hawking dit: » Est Tombé du bord de l’univers. »

Hawking a mené une vie pleine et entière, malgré sa maladie, et ses travaux scientifiques ont inspiré des générations d’étudiants à étudier les problèmes de la gravité et de la mécanique quantique., Dans les semaines qui ont suivi sa mort le 14 mars, nombre de ses collègues ont écrit sur sa vie et son œuvre remarquables. Cet article abordera quelques – unes de ses principales réalisations scientifiques-en particulier, ses travaux sur la gravité classique et les singularités, ses célèbres résultats sur la thermodynamique des trous noirs et le rayonnement de Hawking, et ses efforts pour quantifier la gravité.

hors de la singularité

jeune homme, Hawking a travaillé sur la relativité générale, enquêtant sur le problème de la formation des trous noirs., Sa maîtrise des méthodes géométriques lui a permis de prouver un ensemble de théorèmes remarquables sur les circonstances dans lesquelles des nuages tourbillonnants de matière subissent un effondrement gravitationnel, donnant naissance à des singularités gravitationnelles. En collaboration avec Roger Penrose, qui avait étudié des problèmes similaires, Hawking a produit un article remarquable en 1970 intitulé « The singularities of gravitational collapse and cosmology” (Proc. Roy. Soc. Lond. Un 314 529).

dans ce travail, lui et Penrose ont prouvé que l’espace–temps « raisonnable” présenterait à la fois des singularités dans le futur (soit la singularité finale dans un univers fermé, soit des singularités présentes dans les trous noirs) et des singularités dans le passé (le Big Bang)., Ici, « raisonnable » signifie que l’espace–temps ne possède pas d’irrégularités causales – telles que des courbes temporelles fermées-et que la matière obéit à une forte condition d’énergie, de sorte que la présence de matière concentre les géodésiques voisines (les lignes les plus courtes entre les points d’une surface incurvée) les unes vers les autres.

pris ensemble, les théorèmes de singularité de Penrose–Hawking fournissent des preuves solides de la formation nécessaire de trous noirs dans notre univers., C’est une prédiction qui a été confirmée à la fois par les preuves observationnelles de sources de rayons X galactiques telles que Cygnus X-1, et par les découvertes récentes et spectaculaires de L’interféromètre laser gravitational-Wave Observatory (LIGO), qui a détecté les ondes gravitationnelles émises par les trous noirs en collision.

La prochaine œuvre majeure de Hawking était sa plus célèbre. Ses théorèmes de singularité impliquaient que la surface de l’horizon des événements d’un trou noir augmente lorsque plus de matière et d’énergie est ajoutée au trou, et ne devrait jamais diminuer., Par conséquent, Hawking et ses collègues ont noté que l’aire de l’horizon était analogue à l’entropie dans la deuxième loi de la thermodynamique: selon laquelle l’entropie ne diminue pas et tend à augmenter. S’appuyant sur les idées de Hawking, Jacob Bekenstein a conjecturé que l’aire de l’horizon des événements était en fait égale à l’entropie du trou noir, jusqu’à une constante multiplicative.

Mais maintenant, il y a un problème. Les systèmes thermodynamiques avec entropie S (E) en fonction de l’énergie E doivent également posséder une température, définie par 1/kBT = ∂S/∂E. Mais quelle est la température d’un trou noir?, Après tout, il est noir et, du moins classiquement, aucun rayonnement ne peut s’en échapper.

sortie du trou noir

en 1974, Hawking a résolu le problème de la température des trous noirs de manière spectaculaire., En appliquant les méthodes de la théorie quantique des Champs sur l’espace–temps courbe à la géométrie des trous noirs, Hawking a pu montrer que les trous noirs se comportent comme des corps noirs, émettant un rayonnement thermique avec une température ħk / 2nkb (Où ħ est la constante de Planck divisée par 2π et κ est la gravité de surface du trou), correspondant à une entropie de trou noir égale au quart de la surface de l’horizon, mesurée en unités de Planck. La conception de base de Hawking du problème était simple et brillante.

la relativité générale concerne la réconciliation des différentes perceptions de l’univers., La relativité spéciale réconcilie les perceptions des observateurs se déplaçant à des vitesses différentes, mais tous percevant la vitesse de la lumière comme étant la même. La relativité générale concilie les perceptions de différents observateurs qui choisissent d’attribuer différents systèmes de coordonnées à des événements dans un espace–temps incurvé. Une fois que la mécanique quantique est jetée dans le mélange, une caractéristique remarquable apparaît: les observateurs inertiels et les observateurs accélérés ont une perception entièrement différente de l’état du vide – l’état sans particules., L’état de vide sans particule pour un observateur inertiel est perçu par un observateur Accéléré comme contenant un mélange thermique de particules.

en théorie quantique des champs, le vide n’est pas vide – il bouillonne avec des paires particules–antiparticules virtuelles. Un observateur inertiel voit ces paires virtuelles naître puis disparaître avant qu’elles ne puissent être détectées., En revanche, le détecteur de particules d’un observateur accéléré détectera un mélange thermique de particules – le détecteur accéléré fournit efficacement l’énergie et l’élan nécessaires pour créer des particules réelles à partir de particules virtuelles.

Le principe d’équivalence D’Einstein stipule que l’accélération fournie par, par exemple, une fusée, ne peut pas être distinguée de l’accélération fournie par un champ gravitationnel. Par conséquent, les champs gravitationnels peuvent créer des particules., Dans un argument élégant basé sur la théorie quantique des champs dans un espace-temps de trou noir, Hawking a pu montrer que le champ gravitationnel du trou noir crée un mélange thermique de particules émanant de l’horizon du trou noir. Au voisinage de l’horizon, les paires particules–antiparticules virtuelles avec des énergies enchevêtrées ±E sont « promues” en paires particules–antiparticules réelles de particules sortantes d’énergie E associées à des antiparticules infallantes d’énergie –E. puisque l’énergie de la matière tombant dans le trou noir est négative, la masse du trou noir diminue. Le trou noir rayonne.,

la découverte par Hawking que les trous noirs n’étaient pas réellement noirs a stupéfait la communauté des physiciens. Ses calculs ont été confirmés par une variété d’approches alternatives, qui ont montré que le rayonnement de Hawking était une caractéristique omniprésente de l’espace–temps avec des horizons, y compris l’espace de de Sitter, et l’espace–temps vu par un observateur accéléré.

le résultat a également suscité l’intérêt pour la théorie de l’intrication quantique. Le rayonnement de Hawking consiste en un État enchevêtré de la matière, dans lequel les particules sortantes d’énergie +E sont enchevêtrées avec des particules infallantes d’énergie –E., L’entropie du rayonnement de Hawking peut alors être identifiée avec l’entropie d’intrication du trou noir, où le nombre de bits d’intrication est proportionnel à la surface de l’horizon des événements.

Le rayonnement de Hawking est considéré par les physiciens comme le seul résultat vraiment fiable que nous possédons réellement sur la mécanique quantique et la gravité., De nombreux autres résultats l’ont suivi, notamment des travaux sur les champs supersymétriques de la gravité quantique, et la correspondance anti-de sitter espace/théorie des champs conformes (AdS/CFT) – une connexion remarquable entre le comportement des champs gravitationnels dans un espace–temps et les champs quantiques à la limite de l’espace–temps – ainsi que des travaux pour dériver la relativité générale Cependant, il semble sûr de dire que le rayonnement de Hawking est le seul résultat sur la mécanique quantique et la gravité qui est accepté par toute la communauté des physiciens travaillant sur le sujet.,

de Nombreuses questions ouvertes sur le rayonnement de Hawking rester. Le rayonnement contient-il les informations qui sont entrées dans le trou noir lors de sa formation, mais sous une forme brouillée? Pendant des décennies, Hawking a dit non-il n’y a apparemment aucun moyen pour les informations dans le trou de sortir, au moins sous les lois ordinaires de la mécanique quantique sur l’espace–temps incurvé. Si les lois sous-jacentes de la mécanique quantique sont la préservation de l’information, comme le suggère, par exemple, la correspondance AdS/CFT, alors l’évaporation des trous noirs est elle-même un processus de préservation de l’information.,

presque certaine évasion d’un trou noir

plus récemment, cependant, Hawking a déclaré qu’il croyait que l’information s’échapperait réellement d’un trou noir en évaporation, concédant ainsi un pari fait avec John Preskill sur le sujet. Il a ensuite déclaré que sa déclaration selon laquelle les informations n’échappaient pas à un trou noir était sa « plus grande erreur”., En l’absence d’une théorie quantique de la gravité universellement acceptée et auto-cohérente, ou de preuves empiriques de la nature préservant l’information de l’évaporation des trous noirs, cependant, la question de savoir comment ou si l’information s’échappe des trous noirs doit rester ouverte.,

cosmologie quantique

dans les années 1980, Hawking a fait des travaux séminaux sur la cosmologie quantique: son travail avec Jim Hartle et avec d’autres sur la théorie quantique des univers sans frontière représente une méthode conceptuellement convaincante pour aborder les problèmes éternellement difficiles de la mécanique quantique et de l’histoire de l’univers dans son ensemble. De cette approche, Hawking et ses collaborateurs ont pu obtenir des résultats utiles et suggestifs sur la cosmologie quantique et l’inflation cosmologique.,

L’approche sans frontière a conduit à ce que Hawking avait précédemment appelé sa « plus grande erreur”, jusqu’à ce qu’il décide que déclarer que l’information ne s’échappait pas d’un trou noir était pire. En utilisant la technique pour dériver une fonction d’onde pour l’univers qui était symétrique dans le temps, Hawking a déclaré qu’un univers qui s’étendait puis se contractait subirait une inversion exacte du temps pendant la phase de contraction. Raymond LaFlamme et Don Page ont rapidement pu montrer à Hawking que rien de Tel ne devait se produire., La fonction d’onde obtenue par Hawking était une superposition quantique de deux cosmologies, l’une partant d’un État d’entropie faible ou nulle et se développant tandis que l’entropie augmentait, et la seconde étant la même cosmologie que la première mais avec le temps t remplacé par –T., Si la flèche du temps dans un univers doit être attribuée par les habitants, cependant, alors les habitants des deux univers voteraient probablement pour attribuer la direction du temps croissant dans la direction de l’entropie croissante, de sorte que la seconde cosmologie serait vécue par ses habitants comme étant la même que la première, plutôt que comme remontant dans le temps.

danser sur la musique du temps

Après la publication de son livre A Brief History of Time en 1988, et la renommée bien méritée qui l’accompagne, Hawking avait moins de temps à consacrer uniquement à la physique, mais il a continué à Sa maladie l’a forcé à prendre les choses lentement, à réfléchir avec une grande minutie avant de les mettre en avant. Mais cette approche lente lui a bien servi.,

La scène: un dîner à Mazagon, en Espagne, lors d’un atelier sur la physique de l’asymétrie du temps, organisé par Jonathan Halliwell, Juan Perez-Mercader et Wojciech Zurek. Hawking est assis avec un groupe d’étudiants et de postdocs, mangeant très lentement un très gros steak qui a été coupé en très petits morceaux. Tout le monde discute de l’excursion de conférence qui vient de se terminer, qui était dans un club de flamenco à Séville. Les gens demandaient à Stephen comment il avait fini par danser avec le danseur de flamenco le plus accompli là-bas. Ensuite, la conversation est passée à la physique, à la gravité quantique, etc., Hawking travaillait sur les touches de son synthétiseur vocal et, cinq minutes plus tard, avec un scintillement dans les yeux, nous a informés: « je choisis mes fauteuils roulants pour leur danc capacité à danser. »

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