Une brève histoire du temps : Du big bang aux trous noirs (en anglais : A Brief History of Time: From the Big Bang to Black Holes) est un ouvrage de vulgarisation scientifique qui traite de cosmologie, la science des lois qui gouvernent l’univers, écrit par l’astrophysicien britannique Stephen Hawking. Publié pour la première fois en 1988, il s’adresse à un public profane.
Dans Une brève histoire du temps, Hawking décrit de manière simple les théories les plus communément admises sur la structure, l’origine et l’évolution de l’univers. Il aborde les concepts d’espace et de temps, les particules élémentaires constitutives de l’univers, et les forces fondamentales qui le gouvernent. Les phénomènes cosmiques comme le Big Bang et les trous noirs sont expliqués, et deux théories majeures sont discutées : la relativité générale et la physique quantique. Pour finir, il évoque la recherche d’une « théorie du Tout », propre à décrire de manière cohérente et unifiée l’ensemble des interactions fondamentales de l’univers.
L’ouvrage rencontre un grand succès de librairie et se vend à plus de 10 millions d’exemplaires en 20 ans. Il reste dans la liste des meilleures ventes du Sunday Times pendant plus de cinq ans et est traduit en 35 langues..
Contenu Dans Une brève histoire du temps, S. Hawking s’essaie à expliquer une grande variété de sujets à un lectorat profane, y compris le Big Bang, les trous noirs, et les cônes de lumière. Son objectif principal est de donner une vue d’ensemble de la cosmologie contemporaine, sans recourir à la formalisation mathématique. Dans l’édition de 1996 et les suivantes, S. Hawking interroge la possibilité de voyager dans le temps à travers les trous de vers ainsi que celle de l’absence d’une singularité quantique à l’origine des temps.
Chapitre un : Notre vision de l'univers vignette|267x267px|Première page de Principia Mathematica, Isaac Newton (1687).Dans le premier chapitre, S. Hawking évoque l’histoire des études astronomiques, depuis Aristote et Ptolémée. Aristote, à rebours d’une majorité des savants de son époque, pense que la Terre est ronde. Une idée qui lui vient de l’observation des éclipses lunaires, dont il pense qu’elles sont causées par l’ombre arrondie de la Terre, et de la constatation que l’étoile polaire semble monter dans le ciel à mesure que l’observateur se déplace vers le Nord. Aristote pense également que le Soleil et les étoiles tournent autour de la Terre en cercles parfaits, pour des raisons mystiques. Ptolémée, s’interrogeant lui aussi sur les positions et trajectoires des astres, invente un modèle qui formalise graphiquement la pensée d’Aristote.
Si l’inverse est aujourd’hui admis, à savoir que c’est la Terre qui tourne autour du Soleil, ce n’est qu’en 1609 que les modèles géocentriques d’Aristote et de Ptolémée sont contredits. La première personne à présenter une argumentation détaillée en faveur d’un modèle héliocentrique, c’est–à–dire au sein duquel la Terre tourne effectivement autour du Soleil, est le prêtre polonais Nicolas Copernic, en 1514. Un peu moins d’un siècle plus tard, Galileo Galilée, scientifique italien, et Johannes Kepler, scientifique allemand, observent les déplacements de la Lune et des étoiles et utilisent leurs observations pour prouver la théorie de N. Copernic. Pour rendre compte formellement de ses observations, J. Kepler propose un modèle elliptique plutôt que circulaire. Dans son ouvrage de 1687 relatif à la gravité, Principia Mathematica, Isaac Newton développe les équations mathématiques qui permettent de soutenir la théorie copernicienne. La théorie d’I. Newton implique par ailleurs que les étoiles, telles le Soleil, ne sont pas fixes, mais bien plutôt des objets lointains en mouvement.
L’origine de l’univers est l’autre grand sujet de l’astronomie, et elle est copieusement débattue au cours des siècles. Les premiers penseurs, comme Aristote, conjecturent que l’univers est de toute éternité, qu’il n’a ni commencement ni fin. Les théologiens, comme Saint Augustin, pensent au contraire que l’univers a été créé à un instant donné. Saint Augustin croit aussi que le temps est un concept né de la création de l’univers. Un millénaire plus tard, le philosophe allemand Emmanuel Kant avance, lui, l’idée que le temps est infini.
En 1929, l’astronome Edwin Hubble découvre que les galaxies s’éloignent les unes des autres. Par voie de conséquence, pense–t–il, à un moment, il y a entre 10 et 20 milliards d’années, toutes les galaxies se trouvaient en un point infiniment dense de l’espace. Cette découverte fait basculer la question de l’origine de l’univers dans le champ des sciences à proprement parler. De nos jours, les scientifiques ont recours à deux théories partielles pour expliquer l’évolution de l’univers : la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein et la mécanique quantique. Il s’agit, pour eux, de formuler une théorie du Tout qui puisse unifier de manière cohérente les enseignements de ces deux théories partielles et de décrire, de manière convaincante, les observations astronomiques. S. Hawking est de l’avis que la recherche de cette théorie du Tout, bien que motivée par un besoin humain essentiel de logique, d’ordre et d’intelligibilité, est de nature à affecter la survie de l’espèce humaine.
Chapitre deux : L'espace et le temps vignette|233x233px|Illustration d'un cône de lumière.Avant G. Galilée et I. Newton, il était largement admis qu’Aristote avait raison de conjecturer que les objets étaient au repos tant qu’une force ne les mettait pas en mouvement. I. Newton prouve le contraire en utilisant les expériences de G. Galilée pour concevoir ses trois lois du mouvement. Il élabore aussi une loi universelle de la gravitation, laquelle explique le mouvement des corps stellaires. Dans la tradition aristotélicienne, un événement physique a lieu à un point donné de l’espace. I. Newton apporte la preuve du contraire : chaque objet est en mouvement par rapport aux autres, et il est impossible d’assigner à chacun une position de repos absolue.
Aussi bien Aristote qu’I. Newton croient que le temps est absolu, hors de l’espace. Une croyance qui ne leur permet pas d’expliquer le comportement d’objets se déplaçant à une vitesse proche ou égale à la vitesse de la lumière. La vitesse de la lumière est mesurée pour la première fois en 1676 par l’astronome danois Ole Rømer, qui observe que le temps mis par la lumière pour venir des lunes de Jupiter dépend de leurs distances respectives à la Terre. D’où il est établi que la vitesse de la lumière est très élevée mais effectivement finie. Cependant, les scientifiques se heurtent à un problème quand ils essaient d’établir que la lumière se déplace toujours à la même vitesse. Ils imaginent alors une substance, appelée éther, fluide subtil supposé remplir l’espace au–delà de l’atmosphère terrestre et censé expliquer la valeur absolue de la vitesse des phénomènes lumineux.
La théorie de l’éther ne parvenant pas à expliquer systématiquement la vitesse des phénomènes lumineux, A. Einstein propose en 1905 d’abandonner l’idée d’éther et, avec elle, l’idée que le temps est absolu. Le mathématicien français Henri Poincaré a la même intuition. Cette idée d’A. Einstein est appelée théorie de la relativité : elle englobe et supplante la théorie de la gravitation universelle d’I. Newton, limitée aux petites vitesses – relativement à la vitesse de la lumière – et aux champs gravitationnels faibles.
Selon la théorie de la relativité, les lois de la physique restent invariantes, et la vitesse de la lumière reste constante quel que soit le référentiel galiléen – ou repère en translation uniforme – dans lequel elles sont observées. Elle implique, notamment, que le temps n’est pas une notion absolue et qu’il peut se dilater, c’est–à–dire que le temps écoulé entre deux événements peut être vécu différemment par deux observateurs, soit en raison de leurs vitesses relatives l’un par rapport à l’autre, soit en raison de leurs positions respectives dans le champ gravitationnel. Schématiquement, le temps s’écoule plus lentement pour l’observateur qui se déplace à une vitesse proche ou égale à celle de la lumière, par rapport à celui qui est immobile ; de manière analogue, le temps s’écoule plus lentement pour l’observateur situé à proximité d’un objet extraordinairement massif, par rapport à celui qui se situe dans un champ gravitationnel faible. S. Hawking illustre ce principe en recourant au paradoxe des jumeaux.
Notion fondamentale de la théorie de la relativité, le cône de lumière permet de décrire les événements lumineux observés, en faisant la distinction entre un événement passé, un événement futur, et un événement inaccessible – dans le passé ou dans le futur. La partie supérieure du cône de lumière représente là où la lumière se propagera à partir de l’événement – le futur, et la partie inférieure représente là où la lumière se trouvait avant l’événement – le passé. Le centre représente l’événement lui–même.
Chapitre trois : L'univers en expansion vignette|283x283px|Illustration des décalages vers le rouge et vers le bleu. Dans le troisième chapitre, S. Hawking aborde la question de l’expansion de l’univers, et le phénomène est expliqué à travers l’évocation de l’effet Doppler. L’effet Doppler se produit lorsqu’un objet s’approche ou s’éloigne d’un autre : il se caractérise par un décalage entre la fréquence d’une onde mesurée à son émission et à sa réception, lorsque la distance entre l’émetteur et le receveur varie au cours du temps. Dans le cadre des observations astronomiques, l’effet est appliqué à la lumière émise par les étoiles et observée sur Terre. En l’espèce, l’effet Doppler se manifeste soit sous la forme d’un décalage vers le rouge, soit sous la forme d’un décalage vers le bleu. Le décalage vers le rouge se produit lorsque l’objet lumineux considéré s’éloigne de l’observateur, tandis que le décalage vers le bleu se produit lorsqu’il se rapproche de lui. En pratique, dans le cas d’un décalage vers le rouge, la longueur d’onde de la lumière observée augmente – puisque l’objet émetteur s’éloigne – de sorte que la lumière visible se décale vers l’extrémité rouge et infra–rouge du spectre électromagnétique. Inversement, le décalage vers le bleu signifie que la longueur d’onde diminue (et la fréquence augmente), et donc indique que l’objet se rapproche. E. Hubble ayant observé un décalage vers le rouge de la lumière émise par de nombreuses étoiles dans l’univers, il conclut que ces étoiles s’éloignent de nous et que l’univers est en expansion. L’idée d’expansion laissant présager l’idée d’origine, il est supposé que l’univers observable est issu d’une phase extrêmement dense et chaude, nommée Big Bang, à partir de laquelle il s’est étendu.
Chapitre quatre : Le principe d'incertitude vignette|Portrait de Werner Heisenberg, prix Nobel de physique 1932. Le principe d’incertitude, ou théorème d’indétermination, est le principe selon lequel il est impossible de connaître à la fois la position et la vitesse ou la quantité de mouvement d'une particule. Pour déterminer la position d’une particule, les scientifiques l’éclairent. Plus la fréquence de la lumière utilisée est élevée, plus la position de la particule observée peut être déterminée avec précision, et moins la mesure de sa quantité de mouvement est précise. Réciproquement, moins la fréquence de la lumière utilisée est élevée, moins la position peut être déterminée avec précision, et plus la mesure de sa quantité de mouvement est précise. Autrement dit, le théorème d’indétermination énonce, contrairement à la mécanique classique, que pour une particule donnée, il est impossible de connaître simultanément sa position et sa vitesse exactes selon une formule de proportionnalité.