La théorie du tout Résumé de l'article de Stephen Hawking

Temps de lecture : 15 min

L'origine et le destin de l'univers

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Le point de vue de Stephen Hawking

Stephen Hawking était considéré comme l'un des plus brillants physiciens théoriciens de l'histoire. Du Big Bang aux trous noirs, ses travaux sur les origines et la structure de l'univers ont révolutionné le domaine. Hawking est né à Oxford dans une famille de médecins. Il a commencé ses études universitaires à l'University College d'Oxford en 1959. Il obtient une licence de physique de première classe. Hawking a commencé ses études supérieures à Trinity Hall, à Cambridge, en 1962. Il obtient son doctorat en mathématiques appliquées et en physique théorique, avec une spécialisation en relativité générale et en cosmologie, en mars 1966. Comme Isaac Newton, il a été professeur de mathématiques à l'université de Cambridge entre 1979 et 2009. À l'âge de 21 ans, alors qu'il étudiait la cosmologie à l'université de Cambridge, on lui a diagnostiqué une sclérose latérale amyotrophique (SLA). Une partie de l'histoire de sa vie a été dépeinte dans le film The Theory of Everything (2014).

Introduction

La théorie du tout est une série de conférences données par Stephen Hawking. L'objectif de ces conférences est d'exposer ce que les scientifiques considèrent comme l'histoire de l'univers. Il propose ainsi une histoire de la compréhension de l'univers par la science. En outre, il explique clairement les événements qui se sont déroulés immédiatement après le Big Bang. Hawking aborde également le domaine cosmologique pour lequel il est le plus célèbre : l'étude des trous noirs.

StoryShot #1 : Les quatre idées originales sur l'univers

Aristote

Aristote a envisagé l'idée d'une Terre ronde dès 340 avant Jésus-Christ. Dans son livre, Sur les cieuxil a écrit sur deux théories qui suggéraient que la Terre était sphérique. Tout d'abord, il avait observé que la Terre se trouvant entre le Soleil et la Lune provoquait les éclipses de Lune. Comme l'ombre de la Terre sur la Lune était toujours ronde, cela suggérait que la Terre était ronde. Aristote a appris de ses voyages que l'étoile polaire est plus basse dans le ciel lorsqu'elle est vue du Sud. Là encore, cela laisse penser que la Terre est sphérique et non en forme de disque. Bien que les conclusions d'Aristote soient correctes, ses théories sont encore imparfaites. Par exemple, il croyait que la Terre était immobile et que le Soleil, la Lune, les planètes et les étoiles avaient des orbites circulaires autour de la Terre. 

Ptolémée

Ptolémée s'est appuyé sur ces idées au premier siècle de notre ère. Il a créé un modèle cosmologique complet avec la Terre au centre. Huit sphères portant la Lune, le Soleil, les étoiles et cinq planètes entouraient la Terre. Les cinq planètes connues étaient Mercure, Vénus, Mars, Jupiter et Saturne. Là encore, Ptolémée a commis des erreurs apparentes dans sa théorie. Cependant, il a développé les idées d'Aristote et a fourni un système raisonnablement précis pour prédire les positions des structures visibles la nuit. L'Église chrétienne a généralement accepté cette théorie, en partie parce qu'elle plaçait la Terre au centre de l'univers. 

Copernic

En 1514, Nicholas Copernic a proposé un modèle d'univers beaucoup plus simple. Copernic était un prêtre polonais. Il a ensuite publié son modèle de manière anonyme par crainte d'être accusé d'hérésie. Copernic soutenait que le Soleil était immobile au centre de l'univers. La Terre et les planètes se déplaçaient en orbite circulaire autour du Soleil. Personne n'a pris cette idée au sérieux jusqu'à environ 100 ans plus tard. À ce moment-là, Johannes Kepler et Galileo Galilei ont commencé à soutenir publiquement cette théorie. Le télescope récemment inventé soutenait l'opinion de Copernic selon laquelle la Terre n'était pas le centre de l'univers. Galilée a observé que plusieurs lunes orbitent autour de Jupiter. Cela impliquait qu'il n'était pas nécessaire que tous les corps célestes soient en orbite autour de la Terre. Certains continuaient cependant à nier que la Terre n'était pas le centre de l'univers. Ils affirmaient que les lunes de Jupiter se déplaçaient sur des trajectoires extrêmement compliquées autour de la Terre, suggérant qu'elles étaient en orbite autour de Jupiter. 

Newton

En 1687, Newton a publié son Principes mathématiques de la philosophie naturelley. Hawking décrit cet ouvrage comme étant sans doute le plus crucial jamais publié dans le domaine des sciences physiques. Dans ce livre, Newton a proposé une théorie sur la façon dont les corps se déplacent dans l'espace et le temps. Cette théorie explique également une nouvelle idée de la gravitation universelle. Newton a suggéré que chaque corps céleste dans l'univers était attiré par tous les autres corps. Plus le corps est grand, plus l'attraction gravitationnelle est forte. Newton a ensuite montré que la gravité fait que la Lune se déplace sur une orbite elliptique autour de la Terre. De même, la gravité fait que la Terre et les planètes suivent des trajectoires elliptiques autour du Soleil.

Malgré ces avancées, rien ne laissait encore présager un univers en expansion ou en contraction avant le vingtième siècle. Il était généralement admis que l'univers existait pour toujours dans un état stable ou qu'il avait été créé à un moment précis dans le passé. Cependant, plusieurs universitaires ont remis en question la possibilité d'un univers infini et statique. Par exemple, Heinrich Olbers a soutenu que, dans un univers statique infini, presque chaque ligne ou côté se terminerait à la surface d'une étoile. Par conséquent, on s'attendrait à ce que le ciel entier soit aussi brillant que le Soleil, même la nuit. La seule façon d'éviter cette conclusion serait que les étoiles ne brillent pas éternellement. Par exemple, elles pourraient s'être allumées à un moment précis dans le passé.

StoryShot #2 : L'univers en expansion

Galaxies multiples

Notre Soleil et les étoiles proches font tous partie de la Voie lactée. Pendant longtemps, il y avait un consensus sur le fait que la Voie lactée était l'univers entier. Cependant, en 1925, Edwin Hubble a démontré que la Voie lactée n'était pas la seule galaxie. Il a découvert de nombreuses autres galaxies séparées par un vaste espace. Pour prouver la légitimité de sa théorie, il devait identifier l'étendue de ces espaces vides. 

Une façon d'identifier directement la distance d'une étoile par rapport à la Terre est de se baser sur la luminosité. La luminosité d'une étoile est basée sur la luminosité de l'étoile et sa distance. Par conséquent, si nous pouvons identifier la luminosité d'une étoile, nous pouvons utiliser la luminosité apparente pour calculer les distances. Hubble a soutenu que certaines étoiles avaient toujours la même luminosité lorsqu'elles étaient suffisamment proches pour que nous puissions les mesurer. Si nous trouvions de telles étoiles dans une autre galaxie, nous pourrions supposer qu'elles avaient la même luminosité. Ainsi, nous pouvions calculer la distance à cette galaxie. Nous pouvions être raisonnablement sûrs que notre estimation était exacte si de nombreuses étoiles de la même galaxie donnaient la même distance. Hubble a calculé les distances de neuf galaxies de cette manière. Nous savons maintenant que notre galaxie n'est qu'une des cent mille millions que les télescopes modernes peuvent observer. Il y a environ cent mille millions d'étoiles dans chaque galaxie. 

L'univers en expansion

Hubble a constaté que les galaxies qu'il observait semblaient toutes décalées vers le rouge. Le décalage vers le rouge est un concept clé pour les astronomes. Nous pouvons le comprendre littéralement : La longueur d'onde de la lumière est étirée, la lumière est donc perçue comme étant décalé vers la partie rouge du spectre. Cela signifie que chacune de ces galaxies s'éloigne de nous. De plus, la vitesse à laquelle chaque galaxie s'éloigne de nous dépend de sa distance. Plus une galaxie est éloignée, plus elle s'éloigne rapidement de nous. Hawking décrit cette découverte comme l'une des plus grandes révélations intellectuelles du vingtième siècle. 

Construire sur la relativité générale et les équations de Friedmann

Alexander Friedmann, physicien et mathématicien soviétique, a développé des modèles de relativité générale pour rendre compte de l'hypothèse d'un univers en expansion.

Friedmann a montré que l'univers est en expansion si lente que l'attraction gravitationnelle entre les différentes galaxies ralentit l'expansion de l'univers. Par conséquent, l'expansion pourrait s'arrêter. Les galaxies commenceront alors à se rapprocher les unes des autres à mesure que l'univers se contracte. 

Friedmann a également suggéré que l'univers pourrait être en expansion si rapide que l'attraction gravitationnelle n'arrêterait pas cette expansion. Elle pourrait ralentir un peu, mais les galaxies finiront par atteindre un état où elles s'éloigneront les unes des autres à une vitesse constante. 

Enfin, Friedmann a proposé une solution selon laquelle l'univers est en expansion juste assez rapide pour éviter la contraction. Avec cette solution, la vitesse à laquelle les galaxies s'éloignent les unes des autres va diminuer. Elle n'atteindra jamais zéro, mais atteindra un stade où le mouvement est pratiquement nul.

Nous connaissons actuellement l'expansion des galaxies car l'univers se dilate de cinq à dix pour cent tous les mille millions d'années. Cependant, nous ne sommes pas sûrs de la solution de Friedmann qui est correcte, car nous ne connaissons pas la masse des galaxies. Il est difficile d'identifier la masse des galaxies, car la matière noire est présente dans toutes les galaxies. La matière noire est composée de particules qui n'absorbent pas, ne reflètent pas et n'émettent pas de lumière, de sorte qu'elles ne peuvent pas être détectées par l'observation du rayonnement électromagnétique. Nous ne pouvons pas voir la matière noire directement. Nous savons que la matière noire existe en raison de son effet sur les objets que nous pouvons observer directement. De même, nous ne pouvons pas facilement identifier la masse de la matière noire.

Le Big Bang 

Selon les solutions de Friedmann, la distance entre galaxies voisines a dû être nulle il y a dix à vingt mille millions d'années. À cette époque, que nous appelons le big bang, la densité de l'univers et la courbure de l'espace-temps auraient été infinies. Cela signifie que la théorie générale de la relativité prédit un point singulier dans l'univers.

Le problème d'un point singulier dans l'univers est que cela soutient une perspective biblique. Par conséquent, l'Église a adopté le Big Bang comme étant une intervention divine. Ainsi, il y a eu plusieurs tentatives pour éviter la conclusion du Big Bang. L'alternative était une théorie de l'état stationnaire. La théorie de l'état stationnaire a été suggérée en 1948 et soutenait que les galaxies s'éloignent les unes des autres. Cependant, de nouvelles galaxies se forment continuellement dans les intervalles. Ces nouvelles galaxies sont formées à partir de la nouvelle matière qui est constamment créée. C'est pourquoi l'univers semble à peu près le même à tout moment et en tout point de l'espace.

Classement

Nous attribuons la note de 4/5 à La théorie du tout.

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Note de l'éditeur : Première publication le 24/1/2022. Mise à jour le 26/2/2022

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