Stephen Hawking, les donuts et les cheveux des trous noirs

Stephen Hawking et Homer Simpson en pleine discussion cosmologique

Stephen Hawking est mort le 14 mars (3.14 en anglais), la journée de pi. Normalement, les physiciens théoriciens comme lui ne sont connus que des spécialistes, mais il est devenu très médiatique à cause d’une sclérose latérale amyotrophique, une très grave maladie qui a fortement handicapé son corps pendant plus de 50 ans.

Heureusement, son cerveau est resté intact pour réfléchir à des choses aussi compliquées que les trous noirs et la forme de l’Univers. Avant de revenir sur ces sujets, je voudrais dire ce qui m’a le plus impressionné chez lui : son humour de geek.

Il pouvait parler grâce à un synthétiseur vocal, mais il devait préparer ses phrases longtemps à l’avance, ça lui demandait beaucoup de travail. Pourtant il a tenu à jouer son propre rôle dans Big Bang Theory et dans plusieurs épisodes des Simpsons . Dans ces extraits, il a même dit que les Simpsons étaient « la meilleure chose sur la télévision américaine », et c’est vrai que les Simpsons parlent souvent de science.

Par exemple dans l’épisode Les Gros Q.I. (S10E22), Homer explique à Hawking sa théorie sur un univers en forme de donut, sa friandise préférée. Hawking lui répond que ça « l’intrigue beaucoup », mais en fait cette théorie existe bel et bien ! C’est d’ailleurs une des formes possibles de l’Univers, comme je l’avais expliqué dans « Est-ce que l’Univers est fini ou infini ? »

Dans un tel univers, en allant tout droit dans une direction, on revient par la direction opposée, un peu comme dans certains jeux vidéo, mais il faut se l’imaginer en 3D, et ce n’est pas facile du tout.

L’univers de certains jeux video est torique : en sortant d’un côté de l’écran, on revient par le côté opposé (image Lev Kruglyak sur Quora)

Ce sont deux russes, Alexeï Starobinski et Yakov Zeldovich qui ont proposé cette idée en 1984, et Hawking connaissait très bien Zeldovich car ils ont beaucoup travaillé sur le même sujet : la thermodynamique des trous noirs.

Si tu ne sais plus bien ce qu’est un trou noir, lis ou relis « Tout savoir sur les trous noirs« , parce que là, à cause de la mort de Stephen Hawking, je dois essayer de t’expliquer ce qu’Hawking a découvert.

D’abord, il a prouvé que « les trous noirs n’ont pas de cheveux ». Rigolo non ? En fait c’est un autre astrophysicien, John Wheeler qui a inventé cette expression pour dire que les trous noirs sont incroyablement « lisses » car il suffit de 3 nombres pour les décrire : leur masse, leur charge électrique et leur vitesse de rotation. C’est tout. Si on veut décrire une étoile comme le Soleil, il faut des millions d’informations en plus, comme sa température à plein d’endroits, sa composition chimique, la vitesse des courants qui provoquent des explosions à sa surface etc. Mais pour un trou noir, 3 informations suffisent et on sait tout. C’est Zeldovich (avec d’autres chercheurs) qui a eu cette idée qu’on appelle le Théorème de calvitie, et c’est Hawking (avec d’autres chercheurs) qui a prouvé que c’était vrai.

Le Soleil a des millions de « cheveux ». Un trou noir n’en a que 3

La plus grande découverte de Hawking, c’est l’évaporation des trous noirs. Comme je l’avais écrit à la fin de « Tout savoir sur les trous noirs« , c’est un phénomène très spécial, parce que rien ne peut sortir d’un trou noir. Mais d’après Stephen Hawking et Zeldovich, son horizon des événements* émet quand même un très faible rayonnement qui lui fait perdre du poids, très très lentement.

Çà vient du fait surprenant que le vide parfait n’existe pas. Si on enlève tous les atomes et toutes les particules possibles dans une bouteille, on s’aperçoit que des particules y apparaissent spontanément, deux par deux, et disparaissent aussitôt en s’annihilant mutuellement. Çà s’appelle une fluctuation quantique du vide, et on sait que ça existe grâce à une expérience qui s’appelle l’effet Casimir. Zeldovich et Hawking se sont demandés ce qui se passe quand une fluctuation quantique se produit tout près de l’horizon d’un trou noir. Si une des deux particules est aspirée par le trou noir avant de s’annihiler avec l’autre, alors l’autre particule peut être éjectée loin du trou noir. Donc on devrait voir ce très faible rayonnement comme s’il sortait du trou noir.

Mais en physique, il est absolument IN-TER-DIT que quelque chose apparaisse comme ça, surgi du néant. Alors Hawking a calculé que la particule qui se fait absorber par le trou noir a une énergie négative, et que quand le trou noir absorbe cette énergie négative, sa masse diminue exactement comme s’il avait émis le rayonnement : le trou noir semble s’évaporer peu à peu.

Les gens comme Stephen Hawking et Zeldovich ne reçoivent pas de prix Nobel, parce que leurs théories sont trop folles, et invérifiables pour l’instant. Mais en attendant qu’on puisse les vérifier, ils nous font réfléchir, et parfois rigoler. Et en plus Stephen Hawking nous a montré qu’on peut avoir une vie fantastique même avec une maladie terrible.

Merci Stephen !

Dr. Goulu

*si tu ne sais plus ce qu’est l’horizon des événements, lis ou relis « Tout savoir sur les trous noirs » encore une fois 😉

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