Stephen Hawking: Tout ce que vous devez savoir sur la thèse qui a «  cassé Internet  » 9az

Gribouillé au crayon sur l’une de ses premières pages est « pas de copie sans le consentement de l’auteur ». En octobre 2017, Stephen Hawking a permis à sa thèse de doctorat – Properties of Expanding Universes – d’être mise en ligne via le portail Apollo de l’Université de Cambridge. Le site Web s’est écrasé presque immédiatement sous le poids du trafic. Il a été téléchargé près de 60 000 fois au cours des 24 premières heures seulement. 285q4f

Hawking avait 24 ans lorsqu’il a obtenu son doctorat en 1966 et, bien qu’il ait été diagnostiqué avec une maladie du motoneurone à seulement 21 ans, pouvait encore écrire à la main que «cette thèse est mon travail original». Dans une déclaration accompagnant sa sortie, le regretté physicien a déclaré: « En faisant ma thèse de doctorat en Open Access, j’espère inspirer les gens du monde entier à regarder les étoiles et non à leurs pieds; à s’interroger sur notre place dans le monde. l’univers et essayer de donner un sens au cosmos.  »

Ici, nous le décomposons, vous guidant à travers la physique jusqu’à ce que nous arrivions à la conclusion qui a fait de Hawking un nom familier.

Étape 1: De quoi s’agit-il? i2f1y

La thèse de doctorat de Hawking se rapporte à celle d’Albert Einstein Théorie générale de la relativité– la théorie de la gravité plus précise qui a remplacé Isaac Newtonles idées originales de. Newton a déclaré que la gravité était une attraction entre deux objets. Einstein a déclaré que la gravité est le résultat d’objets massifs déformant le tissu de l’espace et du temps (espace-temps) autour d’eux. Selon Einstein, la Terre tourne autour du soleil parce que nous sommes pris dans la dépression que fait notre étoile dans l’espace-temps.

Hawking applique les mathématiques de la relativité générale aux modèles de la naissance de notre univers (cosmologies). Les premières cosmologies avaient notre univers comme une entité statique qui existait depuis toujours. Cette idée était si enracinée que lorsque les calculs originaux d’Einstein suggéraient qu’un univers statique était peu probable, il ajouta une «constante cosmologique» aux mathématiques afin de maintenir l’univers statique. Il l’appellerait plus tard sa « plus grande bévue ».

Les choses ont commencé à changer quand Edwin Hubble fait une découverte importante. Hawking écrit: « la découverte de la récession des nébuleuses [galaxies] by Hubble a conduit à l’abandon des modèles statiques au profit de ceux dans lesquels nous nous développons. « 

Étape 2: Notre univers en expansion t6k68

Certains astronomes ont saisi l’idée d’un univers en expansion pour affirmer que l’univers doit avoir eu un début – un moment de création appelé le Big Bang. Le nom a été inventé par Fred Hoyle, un partisan de l’alternative Steady State Model. Cette théorie affirme que l’univers existe depuis toujours et que de nouvelles étoiles se forment dans les lacunes créées à mesure que l’univers se développe. Il n’y a pas eu d’événement de création initial.

Hawking consacre le premier chapitre de sa thèse à la prémisse, formellement encapsulée dans un modèle appelé théorie de Hoyle-Narlikar. Hawking déplore que, bien que la théorie générale de la relativité soit puissante, elle permet de nombreuses solutions différentes à ses équations. Cela signifie que de nombreux modèles différents peuvent y être cohérents. Il dit que c’est «l’une des faiblesses de la théorie d’Einstein».

Le célèbre physicien montre alors qu’une exigence de la théorie de Hoyle-Narlikar semble «exclure les modèles qui semblent correspondre à l’univers réel». En bref, le modèle d’état stable ne correspond pas à l’observation.

Étape 3: Espace: il a la même apparence partout 4x4f22

Hawking dit que les hypothèses de la théorie de Hoyle-Narlikar sont en contradiction directe avec la métrique de Robertson-Walker, du nom du physicien américain Howard P. Robertson et du mathématicien britannique Arthur Walker. Aujourd’hui, on l’appelle plus largement la métrique de Friedmann – Lemaître – Robertson – Walker (FLRW). Une métrique est une solution exacte aux équations de la théorie générale de la relativité d’Einstein. Conçu dans les années 1920 et 1930, FLRW forme la base de notre modèle moderne de l’univers. Sa principale caractéristique est qu’elle suppose que la matière est uniformément répartie dans un univers en expansion (ou en contraction) – une prémisse étayée par des observations astronomiques.

Fait intéressant, Hawking offre à Hoyle et Narlikar une lueur d’espoir. « Un moyen possible de sauver la théorie de Hoyle-Narlikar serait d’autoriser des masses de signes à la fois positifs et négatifs », écrit-il, avant d’ajouter: « Il ne semble pas y avoir de matière ayant ces propriétés dans notre région de l’espace. » Aujourd’hui, nous savons que l’expansion de l’univers s’accélère, peut-être en raison de l’énergie sombre – une entité sombre avec une propriété anti-gravitationnelle peut-être semblable à des particules de masse négative.

Étape 4: Le problème des galaxies 373s1t

Même les génies se trompent parfois. Le deuxième chapitre de Hawking couvre les perturbations – petites variations de la courbure locale de l’espace-temps – et comment elles évoluent à mesure que l’univers se développe. Il dit qu’une petite perturbation «ne se contractera pas pour former une galaxie.» Plus loin dans le chapitre, il poursuit en disant: «Nous voyons que les galaxies ne peuvent pas se former à la suite de la croissance de petites perturbations.

Cela ne pourrait pas être plus éloigné de notre image moderne de la formation des galaxies. L’ingrédient clé manquant à Hawking est matière noire, une substance invisible que l’on pense être répandue dans tout l’univers, qui fournit une colle gravitationnelle qui maintient les galaxies ensemble. La matière noire s’est rassemblée autour de petites perturbations spatio-temporelles, attirant finalement de plus en plus de matière jusqu’à la formation des premières galaxies.

Notre image cosmologique de travail moderne est connue sous le nom de modèle ΛCDM (prononcé Lambda CDM). Lambda est la lettre grecque que les cosmologistes utilisent pour désigner la constante cosmologique qu’Einstein a introduite à l’origine (bien que pour les mauvaises raisons). CDM signifie matière noire froide. Ces deux facteurs ont été ajoutés au modèle FLRW depuis que Hawking a rédigé sa thèse.

Étape 5: Les ondes gravitationnelles ne disparaissent pas 3z5e71

Là où Hawking avait tort sur les galaxies, il avait tout à fait raison sur les ondes gravitationnelles – des ruptures dans le tissu de l’espace-temps qui se déplacent vers l’extérieur à travers l’univers. Ils ont été prédits par Einstein lorsqu’il a conçu sa théorie de la relativité générale en 1915, et à l’époque de Hawking, ils étaient également connus sous le nom de rayonnement gravitationnel.

Hawking utilise les équations d’Einstein pour montrer que les ondes gravitationnelles ne sont pas absorbées par la matière dans l’univers lorsqu’elles le traversent, en supposant que l’univers est en grande partie constitué de poussière. En fait, Hawking dit que «le rayonnement gravitationnel se comporte à peu près de la même manière que les autres champs de rayonnement [such as light]. « 

Le physicien note à quel point le sujet est ésotérique dans les années 1960. « C’est un peu académique puisque le rayonnement gravitationnel n’a pas encore été détecté, et encore moins étudié. »

Il faudrait aux physiciens jusqu’en septembre 2015 pour détecter les ondes gravitationnelles pour la première fois à l’aide du Observatoire des ondes gravitationnelles à interféromètre laser (LIGO). Ils ont été produits par la collision de deux trous noirs – l’un 36 – et l’autre 29 fois la masse du soleil – à environ 1,3 milliard d’années-lumière.

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Étape 6: Vivons-nous dans un cosmos ouvert, fermé ou plat? 203v4r

Hawking se dirige vers une conclusion révolutionnaire, mais il s’installe d’abord en introduisant l’idée de la forme générale de l’espace. La courbure de l’espace peut prendre trois formes générales: ouverte, fermée ou plate.

Un univers fermé ressemble à la surface de la Terre – il n’a pas de frontière. Vous pouvez continuer à voyager autour de la planète sans vous ruiner. Un univers ouvert a plutôt la forme d’une selle. Un univers plat, comme son nom l’indique, est comme une feuille de papier.

Imaginez un triangle dessiné sur la surface. Nous apprenons tous à l’école que les angles à l’intérieur d’un triangle totalisent 180 degrés. Cependant, ce n’est le cas que pour les triangles sur des surfaces planes, pas pour les surfaces ouvertes ou fermées. Tracez une ligne du pôle Nord de la Terre à l’équateur, avant de prendre un virage à 90 degrés pour le parcourir. Ensuite, faites un autre virage à 90 degrés vers le pôle Nord. L’angle entre votre chemin loin du pôle Nord et vers celui-ci ne peut pas être nul, donc les angles à l’intérieur de ce triangle doivent totaliser plus de 180 degrés.

Étape 7: L’univers est plat! j5069

Hawking relie alors l’idée d’univers ouverts et fermés aux surfaces de Cauchy, du nom du mathématicien et physicien français Augustin-Louis Cauchy (1789-1857). Une surface de Cauchy est une tranche d’espace-temps, l’équivalent d’un instant de temps. Tous les points de la surface sont connectés dans le temps. Un chemin le long d’une surface de Cauchy ne peut pas vous voir revisiter un moment précédent. Selon les propres mots de Hawking: «Une surface de Cauchy sera considérée comme une surface complète, connectée, semblable à un espace, qui croise une fois et une fois chaque ligne temporelle et nulle.»

Il dit ensuite que les univers fermés sont connus sous le nom de surfaces de Cauchy « compactes » et les univers ouverts comme des surfaces « non compactes ». On dit que le premier exemple a une courbure «positive», le second une courbure «négative».

Un univers plat n’a aucune courbure. Il poursuit en définissant les affirmations marquantes qu’il est sur le point de faire sur les singularités en disant qu’elles sont «applicables aux modèles … avec des surfaces … qui ont une courbure négative ou nulle». Les astronomes modernes pensent que l’univers est plat, ce qui signifie que sa courbure nulle satisfait les conditions de Hawking.

Étape 8: Hawking lâche une bombe 4u3l4u

La plupart des premiers chapitres de la thèse de Hawking ne sont pas remarquables – ils n’offrent rien de particulièrement révolutionnaire, et il se trompe même sur certaines choses. Cependant, dans son dernier chapitre, le physicien lâche une bombe qui fera son nom et enflammera une carrière stellaire, au cours de laquelle il deviendra l’un des scientifiques les plus célèbres de la planète.

Il dit que l’espace-temps peut commencer et se terminer à un singularité, et en plus il peut le prouver. Une singularité est un point infiniment petit et infiniment dense. Il a littéralement une taille nulle, et l’espace et le temps se terminent (ou commencent) à une singularité. Ils avaient été prédits pendant des décennies, en particulier lorsque les physiciens ont commencé à appliquer la théorie générale de la relativité d’Einstein à l’image d’un univers en expansion.

Si l’univers est en expansion aujourd’hui, il était plus petit hier. Continuez à travailler en arrière et vous trouverez toute la matière de l’univers condensée en un minuscule point chaud – le moment de la création, un Big Bang. Mais comment prouver que vous pouvez effectivement obtenir des singularités dans l’espace-temps?

Étape 9: La preuve de Hawking que le Big Bang s’est produit 124s2a

La preuve de Hawking s’appuie sur une méthode très ancienne pour prouver une théorie mathématique: la preuve par contradiction. D’abord, vous supposez que ce que vous essayez de prouver n’est pas vrai, puis montrez que les conclusions qui en résultent sont manifestement fausses. En fait, la section la plus importante de Hawking commence par les mots «supposons que l’espace-temps est sans singularité». Ensuite, des calculs mathématiques très compliqués montrent qu’un tel univers serait à la fois ouvert et fermé – compact et non compact à la fois. « C’est une contradiction », a déclaré Hawking. « Ainsi, l’hypothèse selon laquelle l’espace-temps n’est pas singulier doit être fausse. »

D’un seul coup, Hawking avait prouvé qu’il était possible que l’espace-temps commence comme une singularité – que l’espace et le temps dans notre univers auraient pu avoir une origine. La théorie du Big Bang venait de recevoir un tir important dans le bras. Hawking a commencé à rédiger son doctorat en octobre 1965, 17 mois seulement après la découverte du Fond de micro-ondes cosmique– l’énergie restante du Big Bang. Ensemble, ces découvertes ont enterré le modèle de l’état stable pour de bon.