L'univers de Stephen Hawking

Le calot ou "mortarboard".

Après cinq ans d'étude et défendu sa thèse à Cambridge, Hawking obtient son Philosophical Diploma, le Ph.D. en 1966 et le titre de Docteur. Sa thèse de doctorat avait pour titre "Properties of Expanding Universes". Cette thèse de 177 pages qui a été mise en ligne en octobre 2017 fut consultée par plus de 60000 personnes la première semaine. Elle est également disponible sur le serveur Apollo de Cambridge et à la Bibliothèque Digitale de Cambridge en version photographique et en haute résolution (mais très difficile d'accès). Une des cinq copies de cette thèse écrite en 1965 (voir photo ci-dessous) fut mise aux enchères chez Christie's à Londres le 8 novembre 2018. Elle fut vendue à 548750 £ ou 671460 € soit un prix 4 fois plus élevé que les meilleures estimations.

Armé de son doctorat et l'envie de mettre en pratique tout le savoir théorique qu'il a acquis, le jeune Hawking est engagé par le Gonville and Caius College (Cauis se prononce à l'anglaise comme "Keys") à l'Université de Cambridge : "j'ai commencé à travailler pour la première fois de ma vie. A ma surprise j'ai trouvé que j'aimais ça".

Hawking devient "Fellow" (équivalent à Chargé de recherches en France) puis quelques années plus tard, "Professional Fellow" (Directeur de recherches). Hawking peut porter la toge noire couverte d'une écharpe rouge propre à l'Université et le calot (mortarboard) associé s'il donne cours. Mais ce costume est en général réservé aux cérémonies, que son titulaire soit juste promu ou professeur émérite. L'Harvard Magazine explique en quelques mots ces coutumes vestimentaires.

Hawking avait choisi la bonne filière car la physique théorique était l'une des rares disciplines où sa maladie ne constituait pas un sérieux handicap.

L'une des cinq copies connues de la thèse de Stephen Hawking intitulée "Properties of Expanding Universes" rédigée en 1965.

Comme sa réputation grandissait en même temps que sa maladie s'aggravait, les scientifiques étaient préparés à lui offrir des sujets d'étude dans lesquels il n'y aurait que de la recherche, sans cours magistraux (les fameuses "lectures").

Hawking avait l'espoir de trouver une théorie établissant le lien entre la relativité générale et la physique quantique, d'un côté des variables locales, de l'autre l'indéterminisme, deux visions du monde a priori opposées.

Le pari était à la hauteur du génie du professeur. Il travailla sur les lois fondamentales de la gravitation en utilisant de nouvelles méthodes mathématiques en collaboration avec Roger Penrose et Kip Thorne au Birkbeck College de Londres.

C'est à cette époque, à l'âge de 29 ans qu'il s'intéressa aux trous noirs, après avoir entendu le mathématicien Roger Penrose, alors au Birkbeck College de Londres, décrire ses recherches. Ses idées ont inspiré Hawking et formeront le coeur même de sa thèse. Il réalisa que les équations de la relativité générale décrivant l'effondrement gravitationnel d'un trou noir jusqu'à la singularité pouvaient être "retournées" et décrire l'expansion de l'Univers à partir d'une singularité. Il démontra mathématiquement que l'Univers est un trou noir inversé dans le temps. Hawking découvrit ainsi quelques unes des conjectures fondamentales concernant l'évolution de l'Univers et des trous noirs. Nous y reviendrons en détails.

Après leur mariage (voir page 10), Jane Wilde devant terminer ses études à Londres pour obtenir son doctorat, Hawking devait trouver une solution pour se gérer seul malgré son handicap et trouver une habitation qui ne soit pas trop loin du Collège car il ne pouvait pas marcher longtemps. La politique à Caius était de ne pas offrir de logement à ses employés (aujourd'hui il existe des "accomodations" pour quelques Fellows résidents). Il trouva un flat sur la place du marché de Cambridge mais on demandait au couple 25 shillings par nuit soit un 1.2£, ce qui représentait mensuellement plus de la moitié de son salaire (notons à ce sujet qu'en 1971, sous le Gouvernement Thatcher, la livre sterling fut officiellement décimalisée, passant de 1£ = 20 shillings = 240 pences à 1£ = 100 pences). Le couple n'y resta que trois jours et trouva une petit maison à moins de 100 m du département où travaillait Hawking. Elle appartenait à un chercheur d'un autre collège qui allait déménager et qui accepta de leur sous-louer pour les trois derniers mois de la location. Dans l'intervalle ils trouvèrent une autre habitation où le couple Hawking vivra plusieurs années.

Entre-temps Hawking perdit graduellement l'usage de ses bras et de ses jambes. En 1970, il ne pouvait plus marcher et fut contraint de se déplacer en fauteuil roulant, d'abord manuel puis électrique.


De gauche à droite, le chemin d'entrée conduisant à l'Arche des Honneurs du Collège Gonville et Caius, les bâtiments et le réfectoire du Caius où Hawking célébra certains anniversaires (comme beaucoup d'autres professeurs). Ce "Hall dinner" bien que plus petit, n'a rien à envier à celui du Trinity ou d'Oxford. Documents Virtual traveller et CAI/CAM.

Avec le temps, l'Université Caius appréciant mieux Hawking, elle accepta de faire une entorse à son règlement et lui proposa une habitation dont elle était propriétaire. L'idée plut immédiatement à Hawking et Jane. L'habitation était spacieuse, il y avait un jardin dont pouvaient profiter leurs trois enfants (qui sera par la suite fermé par les gardiens du Collège) et elle était suffisamment près de l'Université ou du Colllège pour que Hawking puisse s'y rendre en fauteuil roulant électrique.

En 1971, il publia dans les "Physical Review Letters" un article sur les ondes gravitationnelles émises par les trous noirs en collision.

En 1972, Hawking ne pouvait plus quitter son fauteuil roulant mais pouvait encore manger seul. Sa diction devint très difficile et seuls les Anglais de naissance comprenaient ce qu'il disait, bien que difficilement.

Hawking quitta l'Institut d'Astronomie en 1973 pour entrer au Département de Mathématiques Appliquées et de Physique Théorique (DAMTP) situé juste à côté.

Hawking se rappella très bien son état physique en 1974 et peu après : "En 1974 raconte-t-il, j'étais capable de me nourrir seul, de rentrer et de sortir du lit. Jane se débrouillait pour m'aider, et éleva les enfants sans assistance extérieure. Toutefois lorsque les choses sont devenues plus difficiles, nous avons décidé d'avoir des étudiants de la Faculté à domicile. En échange d'un logement gratuit et de beaucoup d'attention de ma part, ils m'aidèrent à aller et à sortir du lit. En 1980, nous avons changé pour un système de communauté et d'infirmières privées, qui venaient durant une ou deux heure le matin et en soirée. Cela dura jusqu'à mon opération en 1985. Par la suite une infirmière a pris soin de moi 24 heure sur 24. Cela a été possible grâce à des donations de plusieurs fondations."

Au printemps de 1974, alors que la sonde Viking explorait Mars et que près d'un milliard de téléspectateurs suivaient sa progression sur le petit écran, Hawking fut nommé Fellow (membre) de la Royal Society (FRS en abrégé). Carl Sagan qui était sur place à l'invitation de la Society pour la mission Viking, nota qu'il y avait une grande réunion dans un hall adjacent. Par curiosité il entra dans la pièce et reconnut le jeune homme en fauteuil roulant : "Il était en train de signer très lentement son nom dans le livre qui portait dans ses toutes premières pages la signature d'Isaac Newton. Quand il eut terminé, il y eut une émouvante ovation, Stephen Hawking était devenu une légende."

C'est en 1974 que Hawking, en collaboration avec Zeldovich, proposa sa théorie sur l'évaporation quantique des trous noirs, en applicant des lois semi-classiques : celles de la physique quantique aux particules se matérialisant près de la surface du trou noir et les lois de la gravitation au trou noir lui-même. Ce rayonnement sera appelé la radiation Hawking (cf. page 5).

Hawking fut nommé professeur de physique gravitationnelle à Cambridge en 1977. Il avait 35 ans.


A gauche, Hawking en 1979. A cet époque ses collègues ont toutes les peines pour comprendre ses paroles et il ne peut plus quitter son fauteuil roulant. Document Godfrey Argent for The Royal Society and NPG. Au centre et à droite, vers 1985.

Quand on lui demanda plus tard ce qu'il ressentait d'être considéré comme un génie au même titre que Newton ou Einstein, il répondit : "Je suis l'archétype du génie handicapé, ou devrais-je dire du génie ayant des difficultés d'ordre physique, pour rester politiquement correct".

Pour être précis, dans une interview accordée au magazine "TIME" dans les années '90, Hawking jugea que cette comparaison avec Einstein était une idiotie, "rubbish", et la plupart de ses collègues étaient du même avis. Selon Ann Harris, des éditions Bantam, chez qui fut publié "L'univers dans une coquille de noix" (voir plus loin), Hawking considérait que cette image était inappropriée et imprécise. Elle était également maladroite et gênante, "awkward", pour ses collègues.

En fait il ne s'en formalisa pas mais n'en tira jamais aucun avantage particulier non plus. Seuls l'intéressaient sa famille, ses amis, la recherche et le plaisir qu'il éprouvait de vivre.

Couronnement de sa carrière, fin 1979 Hawking fut nommé Professeur Lucasien de mathématiques à l'Université de Cambridge, poste qu'il occupa jusqu'à sa retraite en 2009. Rappelons que cette chaire fut fondée en 1663 grâce à un don du Révérend Henry Lucas, membre du Parlement de l'université. Cette chaire fut dirigée durant les premières années par le professeur Isaac Barrow qui la céda à Isaac Newton en 1669. Elle fut plus tard occupée par Paul Dirac. Hawking était dans les pas de ses illustres aïeux.

La chaire de mathématiques se traduisant en anglais par "chair" (fauteuil ou chaise), Hawking utilisera ce mot à double sens pour faire allusion à la "chaise" de Newton. Il dira à ce sujet, "je pense qu'elle ne fonctionnait pas électroniquement à cette époque". Son humour est aussi pour Hawking une façon de mettre les gens à l'aise par rapport à son handicap et ses découvertes.

La même année, sa femme Jane reçut son Ph.D. en littérature médiévale portugaise et eut la satisfaction intellectuelle de pouvoir enseigner à l'université.

Cette année là, la sonde Voyager 1 visita Jupiter et Saturne, Mère Thérésa reçut le prix Nobel de la Paix et Francis Ford Copolla présenta à Hollywood l'un des plus grands succès du box office, "Apocalypse Now". Dans le cadre qui nous occupe, ce titre allait être annonciateur d'un grave évènement touchant la santé de Stephen Hawking.

En 1985, alors qu'il se trouvait au CERN de Genève, Hawking contracta une pneumonie durant l'été suivie d'une période de bronchite sévère. Peu de temps après ses poumons cessèrent de fonctionner et d'évacuer les secrétions bronchiques. Mal, mal, mal. Les docteurs de l'hôpital de Genève suggérèrent à sa femme de ne plus alimenter la machine qui le maintenait en vie. Mais elle refusa cette fatalité et rapatria d'urgence son mari à Cambridge où il fut soigné à l'hôpital d'Addenbrooke.

Hawking vers 1988.

Ainsi que nous l'avons dit, en raison de sa maladie, à la fin des années '70 ses paroles étaient presque devenues inintelligibles et seules les personnes habituées à l'entendre le comprenaient encore.

A présent, passant à deux doigts de la mort, pour survivre Hawking fut contraint de subir une trachéotomie pour faciliter sa respiration et permettre d'effectuer certains traitements médicaux subséquents à son opération (aspiration journalière des sécrétions et assurer la ventilation principalement durant la nuit).

L'opération qui n'est pas en soi très lourde (elle consiste à pratiquer une ouverture cruxiforme dans la face antérieure de la trachée et à y placer une petite canule) dura moins d'une heure mais elle le priva de sa voix pour la vie. En effet, en général l'opération ne gène pas la parole à condition d'utiliser ce qu'on appelle une "canule parlante" (comme ce fut le cas pour le pape Jean-Paul II), ce dont Hawking ne disposait pas et que dans tous les cas il n'aurait pas pu utiliser, sa maladie l'empêchant de contrôler ses muscles.

Les conséquences post-opératoires le contraignirent également à recevoir des soins médicaux quotidiennement. "Avant mon opération, écrit-il, mon élocution devint de plus en plus indistincte, et seules quelques personnes que me connaissent bien, pouvaient me comprendre. Mais au moins je pouvais communiquer. Je dictais mes articles scientifiques à ma secrétaire et je donnais des séminaires à travers un interpréteur qui répétait mes paroles plus clairement. Toutefois, la trachéotomie supprima totalement ma capacité de parole. Pendant un temps, la seule façon dont je pouvais communiquer était d'épeler chaque mot lettre par lettre en élevant les sourcis quand la personne indiquait la bonne lettre sur la carte d'orthographe. Il était assez difficile de tenir une conversation de la sorte et d'écrire seul un article".

Un ingénieur américain dénommé Walt Woltosz entendit parler de la situation critique dans laquelle se trouvait Hawking et connaissait bien le problème puisque sa belle-mère souffrait également de SLA. Dans les années '80, Woltosz quitta son emploi d'ingénieur en aéronautique chez United Technologies Corporation pour créer sa propre compagnie, Words+, Inc. à Sunnyvale, en Californie. Son slogan est révélateur de son objectif, "Unlock the Person", Débloquer la personne.

Le système de menu "Clicker" utilisé par Hawking.

Woltosz développa une solution informatique, hardware et software, autour d'un ordinateur Radio Shack Model 4 spécialement équipé d'interfaces d'entrée et sortie afin que des personnes sévèrement handicapées puissent communiquer, lentement mais sûrement.

Il envoya le système à Hawking avec un programme qu'il avait écrit appelé "Equalizer". On l'installa sur un ordinateur de bureau. Hawking nous explique qu'"il permettait de sélectionner des mots dans une série de menus qui apparaissaient à l'écran en appuyant sur un bouton avec la main. Le système pouvait également être contrôlé par le déplacement de la tête ou des yeux. Lorsque j'avais composé ce que je voulais dire, je pouvais l'envoyer à un synthétiseur vocal". Seule contrainte, son interlocuteur pouvait lui parler normalement mais il devait attendre un certain temps pour que Hawking soit prêt et puisse lui répondre. Pour l'anecdote, Woltosz s'excusa auprès de Hawking car le processeur utilisé dans le système vocal reproduisait l'accent américain...

Par la suite le système fut amélioré et Hawking put dialoguer en actionnant une interface appelée le "Clicker" qui lui permit jusqu'à la fin de sa vie de sélectionner des lettres et des mots sur un clavier et de les afficher sur l'écran de son ordinateur.

Ce système est aujourd'hui commercialisé par la société CIMIS en France sous forme d'un clavier virtuel programmable piloté par le logiciel Clicker 4. La société de Woltosz existe toujours et commercialise divers produits très intéressants qui vont du fauteuil roulant informatisé au clavier programmable.

Peu après, le système fut transposé sur un PC portable grâce à David Mason (le futur premier mari de la seconde épouse de Stephen, Elaine Mason), du département de Communication Adaptative de Cambridge. Le système complet fut fixé sur le fauteuil roulant électrique. Par la suite Hawking utilisa divers modèles d'ordinateurs portables équipés d'un synthétiseur vocal. Il le contrôlait grâce aux mouvements de sa joue. Le dernier modèle qu'il utilisa était une tablette Lenovo.

Cet ordinateur était loin d'être un luxe. Dans son livre "Trous noirs et distorsions du temps" (1995/1997), Kip Thorne se rappelle que quelques années auparavant "quand je commencais à avoir du mal à le comprendre, il n'est arrivé de répéter sans arrêt, jusqu'à dix fois : 'Stephen, je n'ai toujours pas compris, peux-tu répéter ?' Un peu dépité, il répétait jusqu'à ce que je finisse par comprendre : espiègle comme d'habitude, Hawking essayait de me raconter une plaisanterie, merveilleusement drôle, concise et inattendue. Quand j'avais enfin saisit, il souriait de plaisir".

Comme Hawking le disait lui-même, "Ce système m'a permit de communiquer beaucoup mieux qu'auparavant. J'arrivais à saisir jusqu'à 15 mots par minute [...], je pouvais exprimer ce que j'avais écrit ou les sauver sur disque. Je pouvais les imprimer ou les rappeler et les faire prononcer ligne par ligne".

Grâce à ce synthétiseur vocal, Hawking put effectivement renouer ses liens avec son entourage et à nouveau parler par ordinateur interposé.


A gauche, Stephen Hawking vers 1988. Document Time Magazine. Au centre, Hawking avec son nouveau système informatique photographié par J.Godany. A droite, Hawking lors de l'une de ses conférences consacrées au rayonnement des trous noirs.

En 1988, Hawking prit la décision de publier son premier livre de cosmologie destiné au grand public, "Une brève histoire du temps". L'ouvrage fut un succès sans précédent dans l'histoire de la littérature scientifique et porta graduellement Hawking au sommet du Star system. Nous reviendrons en détail sur cette "brève histoire...".

Par la suite Hawking se plongea dans les théories des supercordes et membranaires et notamment dans la théorie M qui compte parmi les plus abstraites. Il tenta de l'appliquer à la physique des trous noirs pour modéliser leur entropie et résoudre le paradoxe de l'information. Il en parla notamment dans son livre "L'Univers dans une coquille de noix" publié en 2001. On y reviendra.

Nous verrons plus loin que Hawking fit plusieurs prédictions scientifiques et s'intéressa également à des sujets plus spéculatifs (cf. fin de page 5).

Après cette brève biographie, nous verrons dans les prochains chapitres le travail scientifique de Stephen Hawking, l'oeuvre à laquelle il se consacra pendant plus de 50 ans. Nous analyserons ensuite son oeuvre littéraire et son image médiatique.