Ce que les travaux de Stephen Hawking ont apporté à la physique

Le cosmologiste britannique a grandement contribué à mieux connaître la physique des trous noirs, des objets longtemps restés au stade de curiosité mathématique.

LE MONDE | 14.03.2018 à 21h18 |

Stephen Hawking, mort mercredi 14 mars à l’âge de 76 ans, est l’un des fondateurs de ce que l’on pourrait appeler la physique des trous noirs, presque une discipline en soi. La première contribution majeure de Hawking remonte à la fin des années 1960, date à laquelle lui et son ancien professeur et ami Roger Penrose publient ce que l’on appelle les « théorèmes des singularités », des travaux qui changeront le regard des physiciens sur les trous noirs.

Jusqu’alors, le trou noir, objet bien connu aujourd’hui, ne représentait rien de plus pour les physiciens qu’un objet théorique, émanant d’un concept et encore jamais observé. Le mot même de « trou noir » ne fut inventé qu’en 1969 par John Wheeler.

Le trou noir, du concept théorique à la réalité

Le concept, lui, remonte à 1783, lorsque John Michell, professeur à Cambridge, se posa une simple question : alors qu’il faut une certaine vitesse pour s’affranchir de la gravité (la vitesse de libération, que les fusées doivent atteindre pour quitter la Terre, par exemple), qu’adviendrait-il si un objet était si massif que même la vitesse de la lumière n’y suffirait pas ? Rien ne pourrait s’en échapper, donc pas même la lumière, et l’astre serait invisible, soit « noir ». A l’époque, Michell estime que l’objet doit faire au minimum 500 fois la taille du Soleil pour générer une telle situation.

L’intérêt pour le trou noir va connaître un regain lors de la publication de la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein, en 1915, qui prédit que la matière déforme la structure même de l’espace. Une étoile massive pourrait, dans cette perspective, s’effondrer sur elle-même jusqu’à n’être qu’un point de dimension zéro et à la gravité infinie : ce que l’on appellera plus tard une « singularité gravitationnelle ». Mais la réalité d’une telle possibilité est vivement contestée par les grands physiciens de l’époque, y compris par Einstein lui-même, qui estime impossible l’existence de ces singularités : le fait qu’une étoile puisse se ratatiner jusque dans un point prodigieusement minuscule lui paraissait être un non-sens physique.

Hawking et Penrose, qui travaillent ensemble depuis 1965, démontrent que loin d’être un non-sens, les singularités gravitationnelles peuvent exister, et dans des conditions bien moins rares que ce que pensaient les physiciens jusque-là. Le trou noir n’est ni une simple curiosité, ni un concept sans rapport à la réalité, ni même un objet rare : de nombreuses étoiles réunissent les conditions qui feront que celles-ci, à court de carburant nucléaire à la fin de leur vie, s’effondreront sur elles-mêmes jusqu’à devenir si denses que la courbure de l’espace forme un puits dans lequel les rayons lumineux seront enfermés et continueront de circuler pour toujours, en boucle. Aujourd’hui, on estime à quelques masses solaires (plusieurs fois celle de notre Soleil) la masse minimale requise pour qu’une étoile finisse en trou noir.

Ce travail sur les singularités gravitationnelles connaîtra son aboutissement avec la publication en 1973 de La Structure à grande échelle de l’espace-temps, un livre dans lequel Hawking et George Ellis détaillent les mathématiques de leur théorie.

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O que os traballos de Stephen Hawking achegaron á física 

O cosmólogo británico contribuíu en gran medida a coñecer a física dos buracos negros, os obxectos que quedaron durante moito tempo ao momento da curiosidade matemática. Stephen Hawking, morreu o mércores 14 de marzo á idade de 76 anos, é un dos fundadores do que se podería chamar a física dos buracos negros, case unha disciplina en si mesma. A primeira gran contribución de Hawking remóntase a finais dos anos 1960, data na cal el e o seu antigo profesor e amigo Roger Penrose publicaron ao que se chama "teoremas da singularidade" , os traballos que cambiarán a forma de ver dos físicos os buracos negros. Ata entón, os buracos negros, obxectos ben coñecidos hoxe en día, non representaban nada de máis para os físicos que un obxecto teórico, que emana dun concepto e aínda nunca observado. A mesma palabra de "buraco negro" non foi inventada ata 1969 por John Wheeler. Os buracos negros, do concepto teórico á realidade O concepto remóntase a 1783, cando John Michell profesor de Cambridge, facíase unha simple pregunta: mentres se necesita unha certa velocidade para librarse da gravidade (a velocidade de liberación, por exemplo, a que os foguetes deben alcanzar para deixar A Terra) que ocorrería se un obxecto fóra tan masivo que mesmo a velocidade da luz non fose suficiente? Ninguén podería escapar diso, e mesmo a luz e as estrelas serían invisibles, ou "negro". Na época de Michell estimou que o obxecto debía ser como mínimo 500 veces o tamaño do Sol para xerar tal situación. O interese polos buracos negros vai coñecer un renacemento coa publicación da teoría da relatividade de Albert Einstein, en 1915, que #predicir que a materia deforma a mesma estrutura do espazo. Unha estrela masiva podería, desde esta perspectiva, afundirse nela mesma ata ser un punto de dimensión cero e gravidade infinita: ao que chamaremos máis tarde unha "singularidade gravitacional". Pero a realidade destas posibilidades son vivamente cuestionada polos grandes físicos da época, incluída polo mesmo Einstein, que consideraba imposible a existencia destas singularidades: o feito de que unha estrela póidase encoller ata un punto prodigiosamente minúsculo parecíalle ser un disparate físico. Hawking e Penrose, que traballan xuntos desde 1965, demostran que lonxe de ser un disparate, a singularidades gravitacionales poden existir, e en condicións moito menos raras que aquel en o que pensaban os físicos ata entón. O buraco negro non é unha simple curiosida, nin un concepto sen informe da realidade, nin tampouco un obxecto raro: as numerosas estrelas reúnen as que farán que estas mesmas, escaso de carburante nuclear ao fin da vida, afundiranse sobre si mesmas ata volverse tan densas que a curvatura do espazo forme un pozo no cal os raios de luz serán encerrados e continuarán circulando para sempre, en bucle. Hoxe en día, estimamos a algunhas masas solares (moitas veces o do noso Sol) a masa mínima requirida para que unha estrela acabe cono buraco negro. Este traballo sobre as songularidades gravitacionales coñecerá o seu resultado coa publicación en 1973 a gran escala de "A estrutura" do tempo e o espazo, un libro no cal Hawking e George Ellis detallan as matemáticas da súa teoría. 

 

Asmita Rey Sobral 4º ESO A  (Cruso 2017/18)