La dernière théorie de Stephen Hawking

Un récit sur la naissance, la croissance et la diversification des lois de la physique, que l’on croyait transcendantes et immuables, à mesure de l’expansion de l’univers.

D’où viennent les constantes et les lois physiques qui façonnent l’univers ? Ont-elles évolué, de la même façon que chaque chose naît et se développe ? La dernière théorie de Stephen Hawking nous a été transmise par son proche collaborateur, l’astrophysicien belge Thomas Hertog, professeur de physique théorique à la KU Leuven, dans son ouvrage L’origine du Temps. Il y propose une vision « darwinienne » de l’évolution de l’univers. Cette théorie suppose que les lois de la physique seraient apparues avec le Big Bang et auraient évolué conjointement avec l’expansion de l’univers.

LE MYSTÉRIEUX DESSIN DE L’UNIVERS 

Les recherches et les découvertes cosmologiques du célèbre astrophysicien britannique Stephen Hawking ont permis de concevoir l’univers à la confluence des différents paradoxes de la physique, entre la théorie de la relativité générale d’Einstein, et les principes de la physique quantique. 

Fasciné par l’origine de l’univers, son expansion et par le fonctionnement des trous noirs, dont il a déterminé un principe d’évaporation (la thermodynamique des trous noirs) à partir d’une théorie antérieurement formulée par le physicien Jacob Bekenstein, Stephen Hawking a légué à la science une vision unique de l’origine des phénomènes qui régissent l’existence.

Thomas Hertog et Stephen Hawking ont collaboré pendant plus de 20 ans sur la théorie de l’origine du temps.

PHOTOGRAPHIE DE fournie par Thomas Hertog

Les théories exposées dans des ouvrages très connus du grand public, notamment Une brève histoire du temps, donnent à voir la mosaïque de l’univers selon une configuration empreinte de « perfection », une configuration qui orchestre également les lois de la vie sur Terre. Ce grand ensemble établirait les circonstances favorables à son développement, à partir d’une accumulation de constantes observées, qui reposent initialement sur un subtil équilibre. 

Il permettrait aux atomes de former les molécules, lesquelles composent les éléments, à leur tour influencés par les lois de la physique, comme le temps et la gravité. La question de fond des travaux de Stephen Hawking résidait précisément dans l’observation du fait que les lois qui façonnent l’univers semblaient avoir été étrangement orientées pour que la vie y soit possible. 

BIG BANG(S)

La théorie du Big Bang, et de « l’atome primitif », est une idée formulée pour la première fois dans les années 1930 par l’astronome et physicien belge Georges Le Maître. Son idée était basée sur le fait que les galaxies les plus lointaines s’éloignent plus rapidement, ce qui correspondait à l’observation de l’astronome américain Edwin Hubble, qui a développé la théorie de l’expansion de l’univers à la même époque. Or, si l’on pense à rebours de cette expansion, il apparaît que toute galaxie, que tout corps céleste converge vers un seul et même point, déterminant un état initial de l’univers. « Georges Le Maître a conçu cette idée du Big Bang, mais il n’a jamais écrit une formule, un modèle. C’était une intuition », précise Thomas Hertog. 

L’univers est biophilique, autrement dit, la vie y est possible. Il s’agit-là du point de départ des travaux de Stephen Hawking et de Thomas Hertog. « Cela veut dire que les lois de la physique sont d’une certaine façon parfaites pour que des milliards d’années après le Big Bang, les conditions s’alignent afin de produire la vie », explique Thomas Hertog. « Si l’on change juste un peu les lois de la physique, on se retrouve avec un univers stérile ». 

Les deux chercheurs ont mis en lumière un paradoxe. D’une part, se trouvent les lois de la physique, lesquelles ont longtemps été mises à l’écart pour expliquer l'apparition de la vie. D’autre part, il y a cette observation que si l’on change les lois de la physique, la vie telle que nous la connaissons n’est plus possible.

Traditionnellement, les physiciens justifiaient ce fragile équilibre des lois de la physique par une nécessité mathématique : celles-ci « jouent alors le rôle de Dieu dans ce contexte ». Dans les années 1990, Stephen Hawking a proposé une autre explication. Inspiré par la théorie des cordes de Gabriele Veneziano qui réconcilie les lois de la mécanique quantique et de la relativité générale en décrivant une unification des champs de force et des particules de matière de l’univers, il formule l’idée qu’il n’y a pas eu un, mais une multitude de Big Bangs, donnant naissance à la notion de multivers. Une multitude d’univers auraient pu co-exister, dans les instants qui ont suivi le Big Bang, avec seulement une poignée d’entre eux régis par les lois physiques nécessaires pour créer la vie. « Il était alors envisagé que les lois de la physique pouvaient être différentes dans des univers différents. Seule une poignée d’entre eux permettraient à des créatures semblables aux humains d’exister », ajoute Thomas Hertog. 

Cette théorie du multivers présente elle aussi des paradoxes. Thomas Hertog explique que Stephen Hawking « a essayé de comprendre l’univers sur la base de lois immuables, transcendantes ». Cette hypothèse est de plus en plus controversée du fait de son caractère aléatoire. « Dans un contexte de multivers, on ne peut rien dire, c’est juste le hasard. Dans un contexte où il existe une explication purement mathématique, les lois sont uniques » et immuables. Or la dernière théorie développée par les deux physiciens se trouve dans un entre-deux. « On part ici du principe que c’est le résultat de plein de hasards, avec une évolution ». 

L’ORIGINE DU TEMPS

L’idée qui habitait l’esprit de Stephen Hawking durant les dernières années de sa vie, portait sur le fait que les lois de la physique qui régissent notre univers, et la vie qui en découle, n’existaient probablement pas avant le Big Bang. Quand il confie à Thomas Hertog « il va falloir écrire un nouveau livre », il cherche à transmettre sa dernière vision de la cosmologie. « On a toujours pensé que les lois de la physique étaient des vérités éternelles », observe Thomas Hertog. « Cependant, le cœur de notre [nouvelle] hypothèse de big bang, c’est vraiment que les lois de la physique, dans les premiers temps, ont co-évolué avec la naissance de l’univers ». 

Dans l’Origine du temps, Hertog développe une théorie qui est à la physique ce que la révolution darwinienne est à la biologie. Il explique en effet que depuis la découverte du Big Bang il y a 90 ans, on a toujours essayé de comprendre les lois de l’univers, à partir de règles toujours immuables. Le rapprochement avec la théorie de l’évolution de Darwin s’établit sur le fait que les lois évolutives du vivant, ou encore le principe d’hérédité énoncé par les lois de Mendel, disparaissent quand on remonte aux origines de la vie. « C’est ce concept qui est introduit dans la cosmologie », explique-t-il. 

Ils suggèrent alors une nouvelle théorie du Big Bang. Partant de cette théorie de l’atome originel, ils proposent l’idée qu’à mesure que l’on se rapprocherait de l’origine des formation primitives, il existerait une « couche plus profonde d’évolution », décrivant une réalité où les lois-mêmes de la physique ne seraient qu’à leur stade embryonnaire, profitant de l’expansion de l’univers pour grandir et se complexifier. Ce concept est contre-intuitif, étant donné que toutes nos connaissances sont basées sur la constance et l’immuabilité de ces lois. Cette idée, les deux astrophysiciens l’ont eue indépendamment en 2002. « Moi, j’étais en voyage en Iran et lui était à Cambridge. Et quand je suis revenu, […] on s’est rendu compte que c’était la clef pour éviter le paradoxe du multivers. » Ils ont ensuite travaillé à développer cette théorie quantique du cosmos pendant plus de vingt ans.

« La théorie d’Einstein nous parle de l’espace, du temps, de la gravitation, mais la théorie quantique, dans ce contexte, est plutôt comme une sorte de représentation holographique de cette réalité abstraite dans laquelle on perd une dimension. L’hologramme en ce sens apparaît en trois dimensions, mais l’information en elle-même est codée sur une surface en deux dimensions ».

Thomas Hertog explique que si l’on ne combine pas la théorie de la relativité et la théorie quantique, il manque les éléments nécessaires pour comprendre et visualiser l’univers dans ces trois dimensions. Par exemple, d’un point de vue quantique, il manquait la dimension du temps. Or, « depuis la découverte du Big Bang, le temps a toujours été le problème », précise Thomas Hertog « Georges Le Maître a dit "le temps a un début" ». Cette découverte d’holographie, dans le contexte de la théorie des cordes, est la clef qui permet de développer la théorie de l’origine du temps et des constantes physiques de l’univers, et qui vient apporter une réponse au paradoxe du multivers.

« Le caractère évolutif de la physique ne se manifeste pas aujourd’hui ». Le physicien explique que « les règles de la physique sont cristallisées. C’est pour cela qu’on pense que ce sont des vérités absolues. Or si l’on creuse dans la phase violente de la naissance de l’univers qui a semé les grains permettant de façonner les étoiles, les galaxies, et la vie, on découvre une couche plus profonde d’évolution », à laquelle elles sont intrinsèquement liées. Des chercheurs s’intéressent d’ailleurs aujourd’hui à la possibilité que les lois de la physique présentent des petits signes d’évolution, notamment dans le domaine de l’intensité des forces. 

Cependant, Thomas Hertog explique que « les lois ne sont probablement pas éternelles, mais il faut des conditions extrêmes, où même la gravité et l’espace-temps deviennent quantiques pour que ce caractère évolutif se manifeste ». 

« Il faut trouver des fossiles de cette phase primordiale de cette évolution », ajoute Thomas Hertog. Or, les origines du Big Bang demeurent cachées. « On peut voir très loin dans l’univers et donc dans le passé ». La lumière des étoiles les plus lointaines nous parvient effectivement aujourd’hui, après avoir effectué un long voyage dans l’univers. On peut donc se rapprocher de l’origine des choses. « Mais on ne peut pas regarder directement le Big Bang. L’univers était alors beaucoup trop chaud [et opaque], comme une sorte de mur ». 

Afin d’espérer observer un jour la phase initiale de l’univers, Thomas Hertog confie qu’il va falloir relever des défis techniques de taille. « On ne peut faire [ce voyage] avec de la lumière, il faut des ondes gravitationnelles, ou d’autre sources d’informations, pour avoir accès à cette phase sur laquelle notre théorie se concentre ».