Author : Stephen Hawking
After watching the movie on Netflix last year I wanted to read Hawking’s book. While interesting I must admit it was not an easy read. The professor’s attempt to vulgarize his thoughts and theories are appreciated but remain blurry and difficult to understand at times.
I found some interesting things that I noted down. Apologies it is in french as I read the book in that language.
Le temps est relatif
Extrait 1 : Les lois newtoniennes du mouvement ont mis fin à l’idée de position absolue dans l’espace. La théorie de la Relativité s’est débarrassée du temps absolu. Considérons une paire de jumeaux. Supposons qu’un jumeau aille vivre au sommet d’une montagne pendant que l’autre reste au niveau de la mer. Le premier jumeau devrait vieillir plus vite que le second. Donc, lorsqu’ils se rencontreront à nouveau, l’un devra être plus vieux que l’autre. Dans leur cas, la différence d’âge serait minime, mais elle serait plus grande si l’un des jumeaux partait pour un long voyage dans un vaisseau spatial à une vitesse proche de celle de la lumière. À son retour, le voyageur devrait être beaucoup plus jeune que son frère resté sur Terre. C’est ce que l’on appelle le « paradoxe des jumeaux », mais ce n’est un paradoxe que pour qui conserve une idée de temps absolu derrière la tête. En Relativité, il n’y a pas de temps absolu unique, chaque individu a sa propre mesure personnelle du temps qui dépend du lieu où il est et de la manière dont il se déplace.
Extrait 2 : Au cours de ces dernières décennies, cette nouvelle compréhension de l’espace et du temps a révolutionné notre conception de l’univers. L’ancienne notion d’un univers fondamentalement sans changement, qui aurait existé et qui continuerait à exister, a été remplacée pour toujours par la notion d’un univers dynamique, en expansion, qui semble avoir commencé il y a un temps fini, et qui pourrait se terminer à un instant donné dans le futur. Cette révolution est le sujet du chapitre suivant. Et des années plus tard, cela devait être aussi le point de départ de mon travail en physique théorique. Roger Penrose et moi même avons montré que la théorie d’Einstein de la Relativité Générale suggérait que l’univers devait avoir un commencement et, peut-être, une fin.
L’univers en expension
Extrait 3 : Dans les années vingt, lorsque les astronomes commencèrent à regarder les spectres des étoiles d’autres galaxies, ils remarquèrent quelque chose de très curieux : il s’y trouvait bien les mêmes ensembles caractéristiques de couleurs manquantes que dans notre propre Galaxie, mais ces derniers étaient tous décalés d’une même quantité relative vers l’extrémité rouge du spectre. Pour saisir les implications de cela, nous devons d’abord comprendre l’effet Doppler. Comme nous l’avons vu, la lumière visible consiste en fluctuations, ou ondes, dans le champ électromagnétique. La fréquence (ou le nombre d’ondes par seconde) de la lumière est extrêmement élevée, allant de quatre à sept cent mille milliards d’ondes par seconde. Les différentes fréquences de lumière sont ce que l’œil humain voit sous forme de couleurs différentes, les fréquences les plus basses se situant à l’extrémité rouge du spectre, et les plus hautes à l’extrémité bleue. Maintenant, imaginez une source de lumière à distance constante de nous, comme une étoile, émettant des ondes de lumière à fréquence constante. Évidemment, la fréquence des ondes que nous recevrons sera la même que celle à laquelle ces ondes auront été émises (le champ gravitationnel de notre Galaxie n’étant pas suffisamment grand pour produire un effet significatif). Supposons maintenant que cette source se mette à se déplacer vers nous. Quand elle émettra la crête d’onde suivante, elle sera plus proche de nous, et le temps que la crête d’onde mettra pour nous atteindre sera plus court que lorsque l’étoile ne bougeait pas. Cela signifie que l’intervalle entre deux crêtes d’ondes successives sera plus bref, et que le nombre d’ondes que nous recevrons chaque seconde (c’est-à-dire la fréquence) sera plus élevé que lorsque l’étoile était immobile. De même, si la source s’éloigne de nous, la fréquence des ondes que nous en recevrons sera plus basse. Dans le cas de la lumière, cela signifie que les étoiles qui s’éloignent de nous auront donc leur spectre décalé vers l’extrémité rouge du spectre – « décalage vers le rouge » – et celles qui se rapprochent, un spectre décalé vers le bleu. Cette relation entre la fréquence et la vitesse, l’effet Doppler, est une expérience que l’on peut faire tous les jours. Écoutez une voiture passant dans la rue : tant que la voiture approche, son moteur fait un bruit plus aigu (correspondant à une fréquence plus élevée des ondes sonores), et quand elle passe devant nous et s’éloigne, il fait entendre un bruit plus grave. Le comportement des ondes lumineuses ou radio est le même. Et jusqu’à la police qui fait usage de l’effet Doppler pour contrôler la vitesse des véhicules en mesurant la fréquence d’impulsion d’ondes radio qu’ils réfléchissent ! Dans les années qui ont suivi la preuve de l’existence d’autres galaxies, Hubble répertoria leurs distances et observa leurs spectres. À ce moment là, la plupart des gens pensaient que les galaxies se mouvaient au hasard ; aussi s’attendait on à trouver autant de spectres décalés vers le bleu que vers le rouge. La surprise fut considérable lorsqu’on constata que la plupart des galaxies semblaient décalées vers le rouge : presque toutes s’éloignaient de nous ! Plus surprenantes encore furent les conclusions que Hubble publia en 1929 : l’ampleur du décalage vers le rouge d’une galaxie n’était pas le fait du hasard, il était proportionnel à la distance nous séparant de cette galaxie. En d’autres termes, plus la galaxie était loin, plus elle s’éloignait vite de nous ! L’univers ne pouvait donc pas être statique, comme tout le monde le croyait auparavant, et il était même en expansion, la distance entre les différentes galaxies augmentant en permanence. Cette découverte d’un univers en expansion fut l’une des grandes révolutions intellectuelles du XXe siècle.
Une théorie partielle ?
Extrait 4 : Nous avons vu dans ce chapitre comment, en moins d’un demi siècle, l’idée que l’homme se faisait de l’univers, idée façonnée au cours des millénaires, s’était transformée. La découverte de Hubble d’un univers en expansion et la prise en compte de l’insignifiance de notre propre planète dans l’immensité de l’univers ne furent que des points de départ. Comme les preuves expérimentales et théoriques l’ont peu à peu mis en évidence, il est devenu de plus en plus clair que l’univers a dû avoir un commencement dans le temps, jusqu’à ce qu’en 1970 cela soit finalement prouvé par Penrose et moi-même sur la base de la théorie de la Relativité Générale d’Einstein. Cette preuve montre que la Relativité Générale n’est qu’une théorie incomplète : elle ne peut nous dire comment l’univers a débuté, parce qu’elle prédit que toutes les théories physiques, y compris elle-même, s’effondrent au commencement de l’univers. Cependant, la Relativité Générale n’est qu’une théorie partielle ; ce que les théories de la singularité avancent réellement, c’est qu’il a dû y avoir un moment dans l’univers très primitif où celui-ci fut si petit que l’on ne devrait pas continuer à ne pas tenir compte des effets à petite échelle de l’autre grande théorie partielle du XXe siècle, la mécanique quantique. Au début des années soixante dix, nous avons été forcés d’orienter nos recherches sur la compréhension de l’univers de notre théorie de l’infiniment grand vers notre théorie de l’infiniment petit. Cette théorie, la mécanique quantique, sera décrite par la suite, avant que nous tournions nos efforts vers la combinaison des deux théories partielles en une unique théorie quantique de la gravitation.
Extrait 5 : Cependant, les théories sur les singularités exposées auparavant dans cet ouvrage indiquent que le champ gravitationnel devrait devenir très fort dans deux situations au moins, trous noirs et Big Bang. Dans de tels champs forts, les effets de la mécanique quantique devraient être importants. En un sens, donc, la Relativité Générale classique, en prédisant des points de densité infinie, prédit sa propre perte, exactement comme la mécanique classique (c’est-à-dire non quantique) prédit sa perte en suggérant que les atomes devraient s’effondrer jusqu’à une densité infinie. Nous ne disposons pas encore d’une théorie entièrement compatible qui unifierait Relativité Générale et Mécanique Quantique, mais nous connaissons un certain nombre de ses caractéristiques. Les conséquences de ces dernières sur les trous noirs et le Big Bang seront décrites dans les chapitres suivants. Pour l’instant, tournons-nous vers les récentes tentatives de fondre notre compréhension des autres forces de la nature en une seule théorie quantique unifiée.
La flèche du temps
Extrait 6 : Dans les chapitres précédents, nous avons vu comment nos points de vue sur la nature et le temps se sont modifiés au fil des années. Au début du siècle, les gens croyaient en un temps absolu. Chaque événement pouvait être répertorié de façon unique par un nombre appelé « temps », et toutes les bonnes horloges s’entendaient sur l’intervalle de temps entre deux événements. Cependant, la découverte que la vitesse de la lumière était la même pour tout observateur, indépendamment de son éventuel mouvement, nous conduisit à la théorie de la Relativité, et là, il fallut abandonner l’idée d’un temps unique et absolu. À sa place, chaque observateur aurait sa propre mesure du temps enregistrée par une horloge qu’il emmènerait avec lui : les horloges emmenées par différents observateurs ne seraient pas nécessairement d’accord. Donc, le temps devint un concept plus personnel, relatif à l’observateur qui le mesurait. Lorsqu’on essaya d’unifier la gravitation et la mécanique quantique, on dut introduire la notion du temps « imaginaire ». Le temps imaginaire se confond avec les directions dans l’espace. Si l’on va vers le nord, on peut faire demi-tour et rejoindre le sud ; de la même façon, si l’on avance dans le temps imaginaire, on doit être capable de faire demi-tour et de revenir. Cela signifie qu’il ne peut y avoir de différence importante entre aller de l’avant et revenir dans le temps imaginaire. D’un autre côté, quand on regarde le temps « réel », il y a une très grande différence entre les directions vers l’avant et vers l’arrière, comme nous le savons tous. D’où vient cette différence entre le passé et le futur ? Pourquoi nous souvenons-nous du passé et non pas du futur ?
Extrait 7 : Pour résumer, les lois de la physique ne font pas de distinction entre les directions future et passée du temps. Cependant, il y a au moins trois flèches de temps qui distinguent effectivement le passé du futur. Ce sont les flèches thermodynamique, direction du temps qui accroît le désordre ; psychologique, direction du temps dans laquelle nous nous souvenons du passé et non pas du futur ; et cosmologique, direction du temps dans laquelle l’univers se dilate au lieu de se contracter. J’ai montré que la flèche psychologique est fondamentalement la même que la flèche thermodynamique et, donc, que les deux devraient toujours pointer dans la même direction. La proposition « pas de bord » pour l’univers prédit l’existence d’une flèche du temps thermodynamique bien définie parce que l’univers doit commencer dans un état lisse et ordonné. Et la raison pour laquelle nous observons que cette flèche thermodynamique colle à la flèche cosmologique, c’est que les êtres intelligents ne peuvent exister que dans une phase d’expansion. Une phase de contraction ne sera pas adaptée parce qu’elle n’aura pas de flèche thermodynamique du temps assez déterminante.
Le progrès de la race humaine dans la compréhension de l’univers a établi un petit coin d’ordre dans le désordre croissant de l’univers. Si vous vous rappelez chaque mot de ce livre, votre mémoire aura enregistré deux millions d’unités d’informations : l’ordre dans votre cerveau se sera accru d’environ deux millions d’unités. Cependant, pendant que vous étiez en train de lire ce livre, vous avez converti au moins mille calories d’énergie ordonnée, sous forme de nourriture, en énergie désordonnée sous forme de chaleur que vous avez perdue dans l’air environnant par convection et transpiration. Cela va accroître le désordre de l’univers d’environ vingt millions de milliards de milliards d’unités – ou d’environ dix milliards de milliards de fois l’accroissement de l’ordre dans votre cerveau – et cela si vous vous souvenez de tout le contenu de ce livre. Dans le chapitre suivant, je tenterai d’apporter plus d’ordre dans notre tête de bois en expliquant pourquoi les gens essaient de rassembler les théories partielles que j’ai décrites pour former une théorie complètement unifiée qui engloberait tout dans l’univers.
L’unification de la physique
Extrait 8 : La principale difficulté pour trouver une théorie qui unifie la gravitation avec les autres forces est que la Relativité Générale est une théorie « classique », c’est-à-dire qu’elle ne contient pas le principe d’incertitude de la mécanique quantique. Par ailleurs, les théories partielles dépendent essentiellement de la mécanique quantique. Un premier pas nécessaire sera donc de combiner la Relativité Générale avec le principe d’incertitude. Comme nous l’avons vu, cela peut amener de remarquables conséquences, telles que les trous noirs qui ne sont pas noirs, ou l’univers sans singularité et sans bord. L’ennui c’est que, comme nous l’avons expliqué au chapitre 7, le principe d’incertitude signifie que même « vide », l’espace est rempli de paires de particules virtuelles et d’antiparticules. Ces paires devraient avoir une quantitéinfinie d’énergie et donc, par la célèbre équation d’Einstein E = mc², elles devraient avoir une masse infinie. Leur attraction gravitationnelle devrait alors courber l’univers jusqu’à une dimension infiniment petite.
Extrait 9 : Cependant, en 1984, il y eut un remarquable mouvement d’opinion en faveur de ce que l’on a appelé les « théories des cordes ». Dans ces théories, les objets de base ne sont pas des particules qui occupent un seul point dans l’espace, mais des entités qui ont une longueur mais pas d’autres dimensions, comme un morceau de corde infiniment mince. Ces cordes peuvent avoir des bouts (ce sont les cordes ouvertes) ou elles peuvent se refermer sur elles-mêmes en boucles fermées (cordes fermées) (fig. 10.1et fig. 10.2). Une particule occupe un point de l’espace à chaque instant du temps ; aussi son chemin dans l’espace-temps est-il une ligne (sa « ligne d’univers »). Une corde, au contraire, occupe à chaque instant une ligne dans l’espace. Aussi sa trace dans l’espace-temps est-elle une surface bidimensionnelle appelée « feuille d’univers ». (Chaque point d’une telle feuille d’univers peut être décrit par deux nombres : l’un spécifiant le temps, et l’autre, la position du point sur la corde). La feuille d’univers d’une corde ouverte est une bande ; ses bords représentent les trajectoires dans l’espace-temps des bouts de la corde (fig. 10.1). La feuille d’univers d’une corde fermée est un cylindre ou un tube (fig. 10.2) ; une section du tube est un cercle, représentant la position d’une corde à un instant donné.
Conclusion
Extrait 10 : Les premières tentatives de description et d’explication de l’univers ont fait intervenir l’idée que les événements et les phénomènes naturels étaient contrôlés par des esprits doués de sentiments humains qui réagissaient de façon très humaine et imprévisible. Ces esprits habitaient des objets naturels, comme les rivières et les montagnes, y compris les corps célestes comme le Soleil et la Lune. Il fallait leur plaire et leurs faveurs étaient recherchées pour assurer la fertilité de la terre nourricière et la succession des saisons. Petit à petit, cependant, on dut noter qu’il y avait une certaine régularité : le Soleil se levait toujours à l’est et se couchait à l’ouest, qu’un sacrifice – 185 – ait été offert ou non au dieu du Soleil. De plus, le Soleil, la Lune et les planètes suivaient des trajectoires dans le ciel qui pouvaient être prédites avec une précision remarquable. Le Soleil et la Lune restaient encore des dieux, mais c’étaient des dieux qui obéissaient à des lois strictes, apparemment sans aucune exception, si l’on écarte les histoires comme celles de Josué arrêtant la course solaire. Au début, ces régularités et ces lois ne furent générales que pour l’astronomie et un petit nombre d’autres situations. Cependant, au fur et à mesure que la civilisation se développait, et particulièrement au cours des trois cents dernières années, de plus en plus de régularités et de lois furent découvertes. Le succès de ces lois amena Laplace, au début du XIXe siècle à postuler le déterminisme scientifique : il suggéra qu’il devait exister un ensemble de lois déterminant l’évolution de l’univers avec précision, une fois sa configuration donnée à un certain moment.
Le déterminisme de Laplace était incomplet de deux façons. Il n’indiquait pas comment les lois devaient être choisies et il ne spécifiait pas la configuration initiale de l’univers. Cela était laissé à Dieu. Dieu choisissait comment l’univers avait commencé et à quelles lois il obéirait, mais Dieu n’intervenait pas dans l’univers une fois celui-ci enclenché. En fait, Dieu était confiné dans les régions que le XIXesiècle ne comprenait pas. Nous savons maintenant que les espoirs de déterminisme de Laplace ne peuvent se réaliser, au moins dans le sens qu’il donnait à ce mot. Le principe d’incertitude de la mécanique quantique implique que certaines paires de quantités, comme la position et la vitesse d’une particule, ne peuvent être toutes deux prédites avec une complète exactitude.
La mécanique quantique s’occupe de cette situation via une classe de théories quantiques dans lesquelles les particules n’ont pas de positions ni de vitesses bien définies mais sont représentées par une onde. Ces théories quantiques sont déterministes au sens où elles donnent des lois pour l’évolution de l’onde dans le temps. Aussi, si l’on connaît l’onde à un moment, on peut la calculer à n’importe quel autre moment. L’imprévisible, l’élément de hasard n’intervient quelorsque nous essayons d’interpréter l’onde on termes de positions et de vitesses de particules. Mais peut-être est-ce notre erreur : peut-être n’y a-t-il ni position ni vitesse de particule, seulement des ondes. Il est normal que nous essayions de faire coïncider les ondes avec nos idées préconçues de positions et de vitesses. Les difficultés qui en résultent sont la cause de la non-prédictibilité apparente.
Extrait 11 : Au XVIIIe siècle, les philosophes considéraient que l’ensemble du savoir humain, y compris la science, était de leur ressort et discutaient de questions telles que : l’univers a-t-il eu un commencement ? Cependant, aux XIXe et XXe siècles, la science est devenue trop technique et mathématique pour les philosophes, ainsi que pour quiconque sauf pour quelques spécialistes. Les philosophes réduisirent tant l’étendue de leurs intérêts que Wittgenstein, le plus grand philosophe de notre siècle, a pu dire que « le seul goût qui reste au philosophe c’est l’analyse de la langue ». Quelle déchéance depuis la grande tradition philosophique, d’Aristote à Kant !
Extrait 12 : Tout au long de sa vie, les efforts qu’Einstein développa en faveur de la paix ne lui rapportèrent pas grand chose – en dehors de quelques amis. Son soutien oral à la cause sioniste fut cependant dûment reconnu en 1952, lorsqu’on lui offrit la présidence d’Israël. Arguant de sa naïveté en politique, il la refusa. Peut-être sa véritable raison était-elle tout autre ; pour le citer encore : « Les équations sont plus importantes pour moi parce que la politique représente le présent, alors qu’une équation est quelque chose d’éternel. »
