Hawking à la plage

Hawking va encore plus loin que Bekenstein : son raisonnement lui permet de déterminer l'expression mathématique de la température de surface d'un trou noir en fonction de sa masse. C'est cette remarquable formule qu'on peut voir gravée sur sa tombe à l'abbaye de Westminster, à Londres. Outre la température (T) et la masse (M), on y retrouve quatre des plus importantes constantes fondamentales de la Nature, associées aux trois grandes théories de la physique : G (constante de Newton) et c (vitesse de la lumière) pour la relativité générale, k (constante de Boltzmann) pour la thermodynamique, et h (constante de Planck) pour la mécanique quantique.

Ainsi, en l'espace de quelques mois, Hawking a écrit un article critiquant un point technique du modèle d'univers stationnaire, et a réalisé un travail d'importance sur les modèles dynamiques (singularité au temps zéro). Cette démarche est peu ordinaire pour un jeune doctorant dont le directeur de thèse défend un modèle concurrent (l'état stationnaire), dans son propre fief qui plus est. Or le nom donné au modèle auquel s'est particulièrement intéressé Hawking dans ses deux premiers travaux, c'est par une ironie du sort Hoyle qui l'a trouvé : Big Bang, soit « grand boum ». Une expression que ce dernier a prononcée dans une émission radio de 1949 pour tourner le modèle en dérision. Peine perdue : l'expression a fait mouche... À la fois parlante marquante pour le grand public, courte et efficace pour les cosmologues, elle s'est immédiatement imposée malgré ses limites à exprimer correctement l'essence du modèle.

Une reconnaissance tardive
Depuis 2018, la loi de Hubble de 1929 porte officiellement le nom de « loi de Hubble-Lemaître », après un vote des membres de lUnion astronomique internationale. En effet, l'article original de Lemaître, écrit en français en 1927, avait été traduit en anglais en 1931, mais la section où était décrite le lien entre ses modèles et la fuite des galaxies n'avait mystérieusement pas été incluse, et donc ignorée de la majeure partie de la communauté. Justice a donc été rendue aux travaux du cosmologue belge. Une belle alliance entre observation et théorie.

Quoi quil en soit, les mesures actuelles, incluant celles réalisées avec le fond diffus cosmologique, Convergent vers une même représentation. Dans l'Univers actuel, la densité totale d'énergie (en considérant que la matière est une forme d'énergie) est égale à la densité critique, qui correspond à un Univers plat. Environ 70% de cette énergie se trouve sous forme d'énergie noire ; bien que de nature inconnue, elle domine largement le bilan énergétique de l'Univers actuel. La matière noire n'est pas en reste, car elle représente 25 % (un quart) de l'énergie totale, bien qu'on n'en connaisse pas non plus la nature. La matière ordinaire, finalement, ne représente pas plus de 5 % de l'énergie totale ; et il faut ajouter que les étoiles ne représentent elles-mêmes que 6% de ces 5 %, c'est-à-dire 0,3 % de l'énergie totale... Que de noir passé si longtemps inaperçu !

Là où s'arrête la relativité
Que faire quand on aboutit aux limites d'une théorie. ici la théorie de la relativité générale ? Heureusement les physiciens sont optimistes, et quand une théorie trouve ses limites, c'est donc qu'il faut la généraliser. Ici, cela supposerait de proposer une théorie plus générale qui s'applique lorsque la densité est si grande que les lois de la physique classique ne fonctionnent plus, parce qu'elles se frottent à l'infiniment petit. Or, ces échelles sont le royaume de la mécanique quantique, qui décrit le comportement pour le moins étrange de la matière à l'échelle des particules élémentaires. L'idée serait ainsi de marier la relativité générale et la mécanique quantique dans une nouvelle théorie, qu'on appellerait «gravité quantique», par exemple. Il est intéressant de noter que dès les années 1930, Georges Lemaître avait eu l'intuition de l'importance d'effets quantiques à l'approche du fatidique temps zéro où l'espace est extrêmement contracté. Cependant, la tâche n'est pas aisée. Malgré les efforts déployés depuis plusieurs décennies, incluant des travaux menés par Hawking, force est de constater qu'aujourd'hui encore, aucune théorie ne parvient à rapprocher relativité générale et mécanique quantique de manière pleinement satisfaisante.