Stephen Hawking, brève histoire. Une brève histoire du temps

Remerciements

Le livre est dédié à Jane

J'ai décidé d'essayer d'écrire un livre populaire sur l'espace et le temps après avoir donné les conférences Loeb à Harvard en 1982. A cette époque, il existait déjà pas mal de livres consacrés à l’Univers primitif et aux trous noirs, tous deux très bons, par exemple le livre de Steven Weinberg « Les trois premières minutes », et très mauvais, qu’il n’est pas nécessaire de nommer ici. Mais il me semblait qu’aucun d’entre eux n’abordait réellement les questions qui m’avaient poussé à étudier la cosmologie et la théorie quantique : d’où vient l’univers ? comment et pourquoi est-il apparu ? est-ce que ça finira, et si c'est le cas, comment ? Ces questions nous intéressent tous. Mais la science moderne est très riche en mathématiques, et seuls quelques spécialistes ont une connaissance suffisante de ces dernières pour le comprendre. Cependant, les idées de base sur la naissance et le destin futur de l'Univers peuvent être présentées sans l'aide des mathématiques de telle manière qu'elles deviendront compréhensibles même pour les personnes n'ayant pas reçu de formation scientifique. C'est ce que j'ai essayé de faire dans mon livre. C'est au lecteur de juger de mon succès.
On m’a dit que chaque formule incluse dans le livre réduirait de moitié le nombre d’acheteurs. Ensuite, j'ai décidé de me passer complètement de formules. Certes, à la fin, j'ai quand même écrit une équation - la célèbre équation d'Einstein E=mc^2. J'espère que cela n'effraiera pas la moitié de mes lecteurs potentiels.
Outre le fait que je suis tombé malade de la sclérose latérale amyotrophique, j'ai eu de la chance dans presque tout le reste. L'aide et le soutien apportés par mon épouse Jane et mes enfants Robert, Lucy et Timothy m'ont permis de mener une vie assez normale et de réussir au travail. J’ai aussi eu la chance d’avoir choisi la physique théorique, car tout cela me passe par la tête. Par conséquent, ma faiblesse physique n’est pas devenue un désavantage sérieux. Mes collègues scientifiques, sans exception, m'ont toujours apporté une aide maximale.
Durant la première étape, « classique » de mon travail, mes plus proches assistants et collaborateurs étaient Roger Penrose, Robert Gerok, Brandon Carter et George Ellis. Je leur suis reconnaissant pour leur aide et pour leur collaboration. Cette étape s'est terminée par la publication du livre « Large-scale structure of space-time », qu'Ellis et moi avons écrit en 1973 (S. Hawking, J. Ellis. Large-scale structure of space-time. M. : Mir, 1976).
Je ne conseillerais pas à ceux qui lisent les pages suivantes de les consulter pour obtenir des informations complémentaires : elles sont surchargées de mathématiques et difficiles à lire. J'espère que depuis, j'ai appris à écrire de manière plus accessible.
Au cours de la deuxième phase « quantique » de mon travail, qui a débuté en 1974, j'ai travaillé principalement avec Gary Gibbons, Don Page et Jim Hartle. Je leur dois beaucoup, ainsi qu’à mes étudiants diplômés, qui m’ont apporté une aide énorme tant au sens « physique » que « théorique » du terme. Le besoin de suivre le rythme des étudiants diplômés était un facteur de motivation extrêmement important et, je pense, m'a empêché de m'enliser dans un bourbier.
Brian Witt, un de mes étudiants, m'a beaucoup aidé en travaillant sur le livre. En 1985, après avoir esquissé les premières ébauches du livre, je suis tombé malade d'une pneumonie. J'ai dû subir une intervention chirurgicale et après la trachéotomie, j'ai arrêté de parler et j'ai ainsi presque perdu la capacité de communiquer. Je pensais que je n'arriverais pas à terminer le livre. Mais Brian m'a non seulement aidé à le réviser, mais m'a également appris à utiliser le programme de communication informatique du Living Center, qui m'a été donné par Walt Waltosh, un employé de Words Plus, Inc., à Sunnyvale, en Californie. Avec son aide, je peux écrire des livres et des articles, mais aussi parler aux gens grâce à un synthétiseur vocal qui m'a été offert par une autre société de Sunnyvale, Speech Plus. David Mason a installé ce synthétiseur et un petit ordinateur personnel sur mon fauteuil roulant. Ce système a tout changé : il est devenu encore plus facile pour moi de communiquer qu'avant de perdre la voix.
Je remercie tous ceux qui ont lu les premières versions du livre pour leurs suggestions sur la façon dont il pourrait être amélioré. Ainsi, Peter Gazzardi, mon éditeur chez Bantam Books, m'a envoyé lettre après lettre avec des commentaires et des questions sur des passages qu'il jugeait mal expliqués. Certes, j'ai été assez ennuyé lorsque j'ai reçu une énorme liste de correctifs recommandés, mais Gazzardi avait absolument raison. Je suis sûr que le livre a été amélioré grâce au fait que Gazzardi m'a frotté le nez sur les erreurs.
J'exprime ma profonde gratitude à mes assistants Colin Williams, David Thomas et Raymond Laflamme, à mes secrétaires Judy Fella, Ann Ralph, Cheryl Billington et Sue Macy ainsi qu'à mes infirmières. Je n’aurais rien pu réaliser si tous les coûts de la recherche scientifique et des soins médicaux nécessaires n’avaient pas été supportés par Gonville and Caius College, le Conseil de recherche scientifique et technologique et les fondations Leverhulme, MacArthur, Nuffield et Ralph Smith. Je leur suis très reconnaissant.

Préface

Nous vivons sans presque rien comprendre à la structure du monde. Nous ne pensons pas au mécanisme qui génère la lumière solaire qui assure notre existence, nous ne pensons pas à la gravité, qui nous maintient sur Terre, l’empêchant de nous projeter dans l’espace. Nous ne nous intéressons pas aux atomes qui nous composent ni à la stabilité dont nous dépendons essentiellement. À l’exception des enfants (qui en savent encore trop peu pour ne pas poser des questions aussi sérieuses), peu de gens se demandent pourquoi la nature est telle qu’elle est, d’où vient le cosmos et s’il a toujours existé ? Le temps ne pourrait-il pas, un jour, être reculé pour que l'effet précède la cause ? Existe-t-il une limite insurmontable à la connaissance humaine ? Il y a même des enfants (je les ai rencontrés) qui veulent savoir à quoi ressemble un trou noir, quelle est la plus petite particule de matière ? pourquoi nous souvenons-nous du passé et non du futur ? S’il y avait vraiment du chaos auparavant, comment se fait-il que l’ordre apparent ait maintenant été établi ? et pourquoi l'Univers existe-t-il ?
Dans notre société, il est courant que les parents et les enseignants répondent à ces questions en haussant les épaules ou en appelant à l’aide à partir de références vaguement mémorisées à des légendes religieuses. Certaines personnes n’aiment pas ces sujets parce qu’ils révèlent de manière frappante l’étroitesse de la compréhension humaine.
Mais le développement de la philosophie et des sciences naturelles a progressé principalement grâce à des questions comme celles-ci. De plus en plus d’adultes s’y intéressent et les réponses sont parfois complètement inattendues pour eux. Différent en échelle des atomes et des étoiles, nous repoussons les horizons d’exploration pour couvrir à la fois le très petit et le très grand.
Au printemps 1974, environ deux ans avant que le vaisseau spatial Viking n'atteigne la surface de Mars, j'étais en Angleterre à une conférence organisée par la Royal Society de Londres sur les possibilités de recherche de civilisations extraterrestres. Lors d'une pause-café, j'ai remarqué une réunion beaucoup plus importante qui se déroulait dans la salle voisine et, par curiosité, j'y suis entré. J'ai donc assisté à un rituel de longue date : l'admission de nouveaux membres à la Royal Society, qui est l'une des plus anciennes associations de scientifiques de la planète. Devant, un jeune homme assis dans un fauteuil roulant écrivait très lentement son nom dans un livre dont les pages précédentes portaient la signature d'Isaac Newton. Lorsqu’il eut finalement fini de signer, le public éclata d’applaudissements. Stephen Hawking était alors déjà une légende.

Hawking occupe désormais la chaire de mathématiques à l'Université de Cambridge, qui était autrefois occupée par Newton et plus tard par P. A. M. Dirac - deux chercheurs célèbres qui ont étudié l'un - le plus grand et l'autre - le plus petit. Hawking est leur digne successeur. Ce premier livre populaire d'Hokippa contient beaucoup de choses utiles pour un large public. Le livre est intéressant non seulement par l’étendue de son contenu, il permet de voir comment fonctionne la pensée de l’auteur. Vous y trouverez des révélations claires sur les limites de la physique, de l'astronomie, de la cosmologie et du courage.
Mais c'est aussi un livre sur Dieu... ou peut-être sur l'absence de Dieu. Le mot « Dieu » apparaît fréquemment dans ses pages. Hawking cherche la réponse à la célèbre question d'Einstein, à savoir si Dieu avait le choix lorsqu'il a créé l'Univers. Hawking essaie, comme il l'écrit lui-même, de démêler le plan de Dieu. D'autant plus inattendue est la conclusion (au moins temporaire) à laquelle conduisent ces recherches : un Univers sans limite dans l'espace, sans début ni fin dans le temps, sans aucune œuvre pour le Créateur.
Carl Sagan, Université Cornell, Ithaca, New York NEW YORK.

1. Notre idée de l'Univers

Un jour, un scientifique célèbre (on dit que c'était Bertrand Russell) a donné une conférence publique sur l'astronomie. Il a expliqué comment la Terre tourne autour du Soleil et que le Soleil, à son tour, tourne autour du centre d'un immense amas d'étoiles appelé notre Galaxie. Alors que la conférence touchait à sa fin, une petite vieille dame s'est levée des derniers rangs de la salle et a dit : « Tout ce que vous nous avez dit est absurde. En fait, notre monde est une assiette plate posée sur le dos d’une tortue géante. Souriant avec indulgence, le scientifique demanda : « Que supporte la tortue ? "Tu es très intelligent, jeune homme", répondit la vieille dame. "Une tortue est sur une autre tortue, celle-là est aussi sur une tortue, et ainsi de plus en plus bas."
Cette idée de l'Univers comme une tour sans fin de tortues semblera drôle à la plupart d'entre nous, mais pourquoi pensons-nous que nous savons nous-mêmes mieux ? Que savons-nous de l’Univers et comment le savons-nous ? D’où vient l’Univers et que va-t-il lui arriver ? L’Univers a-t-il eu un commencement, et si oui, que s’est-il passé avant le commencement ? Quelle est l’essence du temps ? Est-ce que ça finira un jour ? Les progrès de la physique de ces dernières années, que nous devons en partie à de nouvelles technologies fantastiques, permettent d'obtenir enfin des réponses à au moins certaines de ces questions de longue date. Au fil du temps, ces réponses pourraient devenir aussi évidentes que le fait que la Terre tourne autour du Soleil, et peut-être aussi ridicules qu’une tour de tortues. Seul le temps (quel qu’il soit) décidera.
Retour en 340 avant JC. e. Le philosophe grec Aristote, dans son livre Sur le ciel, a donné deux arguments convaincants en faveur du fait que la Terre n'est pas une plaque plate, mais une boule ronde. Premièrement, Aristote a deviné que les éclipses lunaires se produisaient lorsque la Terre se trouvait entre la Lune et le Soleil. La Terre projette toujours une ombre ronde sur la Lune, et cela ne peut se produire que si la Terre est sphérique. Si la Terre était un disque plat, son ombre aurait la forme d'une ellipse allongée, à moins qu'une éclipse ne se produise toujours précisément au moment où le Soleil se trouve exactement sur l'axe du disque. Deuxièmement, grâce à l'expérience de leurs voyages, les Grecs savaient que dans les régions du sud, l'étoile polaire est située plus bas dans le ciel que dans celles du nord. (Étant donné que Polaris est au-dessus du pôle Nord, il sera directement au-dessus de la tête d'un observateur se tenant au pôle Nord, mais pour quelqu'un à l'équateur, il semblera être à l'horizon.) Connaissant la différence de position apparente de l'étoile polaire en Égypte et en Grèce, Aristote a même pu calculer que la longueur de l'équateur est de 400 000 stades. On ne sait pas exactement ce qu’est un stade, mais il mesure près de 200 mètres, et donc l’estimation d’Aristote est environ 2 fois la valeur aujourd’hui acceptée. Les Grecs avaient également un troisième argument en faveur de la forme sphérique de la Terre : si la Terre n'est pas ronde, alors pourquoi voit-on d'abord les voiles d'un navire s'élever au-dessus de l'horizon, et ensuite seulement le navire lui-même ?
Aristote pensait que la Terre était immobile et que le Soleil, la Lune, les planètes et les étoiles tournaient autour d'elle sur des orbites circulaires. Il le croyait parce que, conformément à ses vues mystiques, il considérait la Terre comme le centre de l'Univers et le mouvement circulaire comme le plus parfait. Ptolémée a développé l'idée d'Aristote en un modèle cosmologique complet au IIe siècle. La Terre se trouve au centre, entourée de huit sphères portant la Lune, le Soleil et les cinq planètes alors connues : Mercure, Vénus, Mars, Jupiter et Saturne (Fig. 1.1). Les planètes elles-mêmes, croyait Ptolémée, se déplaçaient selon des cercles plus petits reliés aux sphères correspondantes. Cela explique le chemin très complexe que nous voyons les planètes emprunter. Sur la toute dernière sphère se trouvent les étoiles fixes qui, restant dans la même position les unes par rapport aux autres, se déplacent ensemble dans le ciel comme un tout. Ce qui se trouvait au-delà de la dernière sphère n’était pas expliqué, mais de toute façon il ne faisait plus partie de l’Univers que l’humanité observe.

Le modèle de Ptolémée permettait de prédire assez bien la position des corps célestes dans le ciel, mais pour une prédiction précise il a dû accepter que la trajectoire de la Lune à certains endroits se rapproche 2 fois plus de la Terre qu'à d'autres ! Cela signifie que dans une position, la Lune devrait apparaître 2 fois plus grande que dans une autre ! Ptolémée était conscient de cette lacune, mais sa théorie était néanmoins reconnue, mais pas partout. L’Église chrétienne a accepté le modèle ptolémaïque de l’univers comme n’étant pas en contradiction avec la Bible, car ce modèle était très bon dans la mesure où il laissait beaucoup d’espace pour l’enfer et le paradis en dehors de la sphère des étoiles fixes. Cependant, en 1514, le prêtre polonais Nicolas Copernic proposa un modèle encore plus simple. (Au début, craignant probablement que l’Église ne le déclare hérétique, Copernic a promu son modèle de manière anonyme). Son idée était que le Soleil était immobile au centre et que la Terre et les autres planètes tournaient autour de lui sur des orbites circulaires. Près d’un siècle s’est écoulé avant que l’idée de Copernic ne soit prise au sérieux. Deux astronomes, l'Allemand Johannes Kepler et l'Italien Galileo Galilei, ont publiquement soutenu la théorie de Copernic, même si les orbites prédites par Copernic ne correspondaient pas exactement à celles observées. La théorie d'Aristote-Ptolémée a pris fin en 1609, lorsque Galilée a commencé à observer le ciel nocturne à l'aide d'un télescope nouvellement inventé. En pointant son télescope vers la planète Jupiter, Galilée a découvert plusieurs petits satellites, ou lunes, en orbite autour de Jupiter. Cela signifiait que tous les corps célestes ne devaient pas nécessairement tourner directement autour de la Terre, comme le croyaient Aristote et Ptolémée. (Bien sûr, on pourrait toujours supposer que la Terre repose au centre de l'Univers et que les lunes de Jupiter se déplacent le long d'une trajectoire très complexe autour de la Terre, de sorte qu'elles semblent seulement orbiter autour de Jupiter. Cependant, la théorie de Copernic était beaucoup plus complexe. plus simple.) En même temps, Johannes Kepler modifiait la théorie de Copernic en se basant sur l'hypothèse que les planètes ne se déplacent pas en cercles, mais en ellipses (une ellipse est un cercle allongé). Enfin, les prédictions coïncidaient désormais avec les résultats des observations.
Quant à Kepler, ses orbites elliptiques étaient une hypothèse artificielle (ad hoc), et de surcroît « disgracieuse », puisqu’une ellipse est une figure bien moins parfaite qu’un cercle. Ayant découvert presque par hasard que les orbites elliptiques étaient en bon accord avec les observations, Kepler n'a jamais pu concilier ce fait avec son idée selon laquelle les planètes tournent autour du Soleil sous l'influence de forces magnétiques. L’explication n’est venue que bien plus tard, en 1687, lorsqu’Isaac Newton a publié son livre « Principes mathématiques de philosophie naturelle ». Newton y a non seulement présenté la théorie du mouvement des corps matériels dans le temps et dans l'espace, mais a également développé des méthodes mathématiques complexes nécessaires à l'analyse du mouvement des corps célestes. De plus, Newton a postulé la loi de la gravitation universelle, selon laquelle chaque corps de l'Univers est attiré vers tout autre corps avec une force d'autant plus grande que plus la masse de ces corps est grande et plus la distance entre eux est petite. C’est la même force qui fait tomber les corps au sol. (L'histoire selon laquelle Newton a été inspirée par une pomme tombant sur sa tête est presque certainement peu fiable. Newton lui-même a seulement dit que l'idée de la gravité lui est venue alors qu'il était assis dans une « humeur contemplative » et que « l'occasion était la chute d'un pomme") . Newton a en outre montré que, selon sa loi, la Lune, sous l'influence des forces gravitationnelles, se déplace sur une orbite elliptique autour de la Terre, et que la Terre et les planètes tournent sur des orbites elliptiques autour du Soleil.
Le modèle copernicien a contribué à se débarrasser des sphères célestes ptolémaïques, et en même temps de l'idée selon laquelle l'Univers avait une sorte de frontière naturelle. Puisque les « étoiles fixes » ne changent pas de position dans le ciel, à l'exception de leur mouvement circulaire associé à la rotation de la Terre autour de son axe, il était naturel de supposer que les étoiles fixes sont des objets semblables à notre Soleil, mais bien plus. loin.
Newton a compris que, selon sa théorie de la gravité, les étoiles devraient être attirées les unes vers les autres et, semble-t-il, ne peuvent donc pas rester complètement immobiles. Ne devraient-ils pas tomber l'un sur l'autre, se rapprochant à un moment donné ? En 1691, dans une lettre à Richard Bentley, un autre penseur éminent de l’époque, Newton affirmait que cela se produirait effectivement si nous n’avions qu’un nombre fini d’étoiles dans une région finie de l’espace. Mais, pensait Newton, si le nombre d’étoiles est infini et qu’elles sont réparties plus ou moins uniformément sur un espace infini, alors cela n’arrivera jamais, puisqu’il n’y a pas de point central où elles devraient tomber.
Ces arguments illustrent à quel point il est facile d’avoir des ennuis lorsqu’on parle de l’infini. Dans un Univers infini, n'importe quel point peut être considéré comme le centre, car des deux côtés, le nombre d'étoiles est infini. Ce n'est que bien plus tard qu'ils se sont rendu compte qu'une approche plus correcte consistait à adopter un système fini dans lequel toutes les étoiles tombent les unes sur les autres, en tendant vers le centre, et à voir quels changements se produiraient si l'on ajoutait de plus en plus d'étoiles, réparties approximativement. uniformément en dehors de la région considérée. Selon la loi de Newton, les étoiles supplémentaires, en moyenne, n'affecteront en aucune façon les étoiles d'origine, c'est-à-dire que les étoiles tomberont à la même vitesse au centre de la zone sélectionnée. Peu importe le nombre d’étoiles que nous ajoutons, elles tendront toujours vers le centre. On sait aujourd’hui qu’un modèle statique infini de l’Univers est impossible si les forces gravitationnelles restent toujours des forces d’attraction mutuelle.
Il est intéressant de voir quel était l’état général de la pensée scientifique avant le début du 20e siècle : personne n’avait jamais pensé que l’Univers pouvait s’étendre ou se contracter. Tout le monde croyait que l'Univers soit avait toujours existé dans un état inchangé, soit avait été créé à un moment donné dans le passé, à peu près comme il l'est aujourd'hui. Cela peut s'expliquer en partie par la tendance des gens à croire aux vérités éternelles, mais aussi par l'attrait particulier de l'idée que, même s'ils vieillissent et meurent, l'Univers restera éternel et inchangé.
Même les scientifiques qui ont réalisé que la théorie de la gravité de Newton rendait impossible un Univers statique n'ont pas pensé à l'hypothèse de l'Univers en expansion. Ils ont tenté de modifier la théorie en rendant la force gravitationnelle répulsive sur de très grandes distances. Cela n'a pratiquement pas modifié le mouvement prévu des planètes, mais a permis à la répartition infinie des étoiles de rester en équilibre, puisque l'attraction des étoiles proches était compensée par la répulsion des étoiles lointaines. Mais nous pensons désormais qu’un tel équilibre serait instable. En fait, si dans une certaine zone les étoiles se rapprochent un peu, alors les forces attractives entre elles augmenteront et deviendront supérieures aux forces répulsives, de sorte que les étoiles continueront à se rapprocher. Si la distance entre les étoiles augmente légèrement, les forces répulsives l'emporteront et la distance augmentera.
Une autre objection au modèle d’un univers statique infini est généralement attribuée au philosophe allemand Heinrich Olbers, qui a publié un ouvrage sur ce modèle en 1823. En fait, de nombreux contemporains de Newton travaillaient sur le même problème, et l'article d'Albers n'était même pas le premier à soulever de sérieuses objections. Elle fut la première à être largement citée. L’objection est la suivante : dans un Univers statique et infini, tout rayon de vision doit reposer sur une étoile. Mais alors le ciel, même la nuit, devrait briller comme le Soleil. Le contre-argument d'Olbers était que la lumière provenant d'étoiles lointaines devrait être atténuée par l'absorption dans la matière sur son passage.
Mais dans ce cas, cette substance elle-même devrait chauffer et briller brillamment, comme les étoiles. La seule façon d’éviter de conclure que le ciel nocturne brille comme le Soleil est de supposer que les étoiles n’ont pas toujours brillé, mais se sont illuminées à un moment précis du passé. Il se peut alors que la substance absorbante n'ait pas encore eu le temps de se réchauffer ou que la lumière des étoiles lointaines ne nous soit pas encore parvenue. Mais la question se pose : pourquoi les étoiles se sont-elles allumées ?
Bien entendu, le problème de l’origine de l’Univers occupe l’esprit des gens depuis très longtemps. Selon un certain nombre de cosmogonies anciennes et de mythes judéo-chrétiens-musulmans, notre Univers est apparu à un moment précis et pas très lointain du passé. L’une des raisons de ces croyances était la nécessité de trouver la « cause première » de l’existence de l’Univers. Tout événement dans l'Univers s'explique en indiquant sa cause, c'est-à-dire un autre événement survenu plus tôt ; une telle explication de l'existence de l'Univers lui-même n'est possible que si elle a eu un commencement. Une autre base a été avancée par le bienheureux Augustin (l'Église orthodoxe considère Augustin comme bienheureux, et l'Église catholique le considère comme un saint. - NDLR). dans le livre "Cité de Dieu". Il a souligné que la civilisation progresse et que l'on se souvient de qui a commis tel ou tel acte et qui a inventé quoi. Par conséquent, il est peu probable que l’humanité, et donc probablement l’Univers, existera très longtemps. Saint Augustin considérait comme la date acceptable pour la création de l'Univers, correspondant au livre de la Genèse : environ 5000 avant JC. (Il est intéressant de noter que cette date n'est pas très éloignée de la fin de la dernière période glaciaire - 10 000 avant JC, que les archéologues considèrent comme le début de la civilisation).
Aristote et la plupart des autres philosophes grecs n'aimaient pas l'idée de la création de l'Univers, car elle était associée à une intervention divine. Par conséquent, ils croyaient que les gens et le monde qui les entouraient existaient et existeraient pour toujours. Les scientifiques de l'Antiquité ont examiné l'argument concernant le progrès de la civilisation et ont décidé que des inondations et d'autres cataclysmes se produisaient périodiquement dans le monde, ce qui ramenait constamment l'humanité au point de départ de la civilisation.
La question de savoir si l’Univers est apparu à un moment donné dans le temps et s’il est limité dans l’espace a ensuite été examinée de très près par le philosophe Emmanuel Kant dans son ouvrage monumental (et très sombre) « Critique de la raison pure », publié dans 1781. Il appelle ces questions des antinomies (c'est-à-dire des contradictions) de la raison pure, car il voit qu'il est également impossible de prouver ou de réfuter soit la thèse sur la nécessité du commencement de l'Univers, soit l'antithèse sur son existence éternelle. La thèse de Kant était soutenue par le fait que si l'Univers n'avait pas de commencement, alors chaque événement serait précédé d'une période de temps infinie, et Kant considérait cela comme absurde. À l'appui de l'antithèse, Kant a déclaré que si l'Univers avait eu un commencement, alors il aurait été précédé d'une période de temps infinie, et la question est alors de savoir pourquoi l'Univers est-il soudainement apparu à un moment donné et non à un autre. ? En fait, les arguments de Kant sont pratiquement les mêmes pour la thèse et l’antithèse. Cela découle de l’hypothèse tacite selon laquelle le temps est infini dans le passé, que l’univers ait existé ou non pour toujours. Comme nous le verrons ci-dessous, avant l’émergence de l’Univers, la notion de temps n’avait aucun sens. Cela a été souligné pour la première fois par saint Augustin. Lorsqu’on lui a demandé ce que Dieu faisait avant de créer l’univers, Augustin n’a jamais répondu que Dieu préparait l’enfer pour ceux qui posaient de telles questions. Non, il a dit que le temps est une propriété intégrale de l’Univers créé par Dieu et qu’il n’y avait donc pas de temps avant l’émergence de l’Univers.
À l’époque où la plupart des gens croyaient en un univers statique et immuable, la question de savoir s’il avait un commencement ou non était essentiellement une question de métaphysique et de théologie. Tous les phénomènes observables pourraient être expliqués soit par une théorie selon laquelle l’univers existait pour toujours, soit par une théorie selon laquelle l’univers aurait été créé à un moment donné de telle manière que tout semblait avoir existé pour toujours. Mais en 1929, Edwin Hubble a fait une découverte historique : il s'est avéré que quelle que soit la partie du ciel que l'on observe, toutes les galaxies lointaines s'éloignent rapidement de nous. En d’autres termes, l’Univers est en expansion. Cela signifie qu’autrefois, tous les objets étaient plus proches les uns des autres qu’ils ne le sont aujourd’hui. Cela signifie qu'il fut apparemment un temps, il y a environ dix ou vingt milliards d'années, où ils étaient tous au même endroit, de sorte que la densité de l'Univers était infiniment grande. La découverte de Hubble a amené la question de savoir comment l’Univers a commencé dans le domaine de la science.
Les observations de Hubble suggèrent qu'il fut un temps, appelé Big Bang, où l'Univers était infiniment petit et infiniment dense. Dans de telles conditions, toutes les lois de la science perdent leur sens et ne permettent pas de prédire l’avenir. Si des événements se sont produits à des époques encore antérieures, ils ne pourraient en aucun cas affecter ce qui se passe aujourd'hui. Faute de conséquences observables, elles peuvent tout simplement être négligées. Le Big Bang peut être considéré comme le début des temps dans le sens où les temps antérieurs n’auraient tout simplement pas été déterminés. Soulignons qu'un tel point de départ pour le temps est très différent de tout ce qui était proposé avant Hubble. Le début des temps dans un Univers immuable est quelque chose qui doit être déterminé par quelque chose existant en dehors de l’Univers ; Il n’y a aucune nécessité physique pour le début de l’Univers. La création de l’Univers par Dieu peut être attribuée à n’importe quel moment du passé. Si l’Univers est en expansion, il peut y avoir des raisons physiques à son début. Vous pouvez encore imaginer que c'est Dieu qui a créé l'univers - au moment du big bang ou même plus tard (mais comme si le big bang avait eu lieu). Cependant, il serait absurde de dire que l’Univers a existé avant le Big Bang. L’idée d’un Univers en expansion n’exclut pas le créateur, mais elle impose des restrictions sur la date éventuelle de son œuvre !

Pour le commun des mortels, notre planète Terre semble souvent calme et contemplative. Parfois, cela crée même une impression de stabilité et d’immobilité. Le scientifique britannique Stephen Hawking étudie de manière beaucoup plus approfondie les phénomènes et les objets. « L'histoire du temps » - ses deux best-sellers présentent aux lecteurs de manière conviviale et simple (sans formules) les principes fondamentaux de l'astrophysique et

Au début du livre, après avoir lu sur la Terre comme une tour montée sur des tortues (ironique), à la fin nous voyons une image différente : une boule géante tournant autour d'un axe à une vitesse vertigineuse de 1,5 mille km/heure et se précipitant en orbite autour du Soleil à une vitesse de 100 000 km/h. Et tout cela se produit dans un espace et un temps non linéaires et variables !

Livre 1. « Une brève histoire du temps »

En 1988, Une brève histoire du temps a été publiée. son auteur présente à divers lecteurs les points de vue de l'astrophysique moderne sur l'Univers. Il a réussi à éveiller l'imagination des gens et à les intéresser.

Le temps est-il réel ? Quels processus globaux font bouger l’Univers ? Le passé et le futur sont-ils liés ? Progressivement, dans trois parties sémantiques du livre, il écrit : d'abord - sur les vues astrophysiques avant la théorie d'Einstein, puis - des généralisations conformes à la théorie générale d'Einstein, et enfin - la microthéorie suit, à savoir -

Le livre « La plus courte histoire du temps » augmente progressivement son niveau d'abstraction. Stephen Hawking conserve cependant un style populaire qui est nécessaire à la compréhension du lecteur profane. On leur donne une explication claire de choses inhabituelles dans notre vie quotidienne : la courbure de l'espace, la courbure des rayons lumineux, l'expansion de l'Univers. Les pensées du scientifique sont originales et en même temps compréhensibles. Il nous amène systématiquement à la conclusion que l'Univers existe et évolue selon le principe de la flèche du temps (la direction du développement qui assure une augmentation constante de l'entropie).

Livre 2. « La brève histoire du temps »

En 2005, le scientifique a écrit un nouvel ouvrage intitulé «L'histoire la plus courte du temps». Stephen Hawking, dans ce livre vaste et passionnant, parle également du « mécanisme de l’Univers ».

L’écrire était-il une « suite » banale ? Non! Après tout, la veille, en 2004, son auteur avait révolutionné l'astrophysique en changeant les principes de la théorie fondamentale des « trous noirs » (étoiles éteintes comprimées à l'extrême - une singularité). Le modèle du monde présenté aux scientifiques a donc également changé. Le chapitre sur le Big Bang, les trous noirs, est présenté d'une manière nouvelle par rapport au livre précédent, et la structure même d'un trou noir est montrée différemment dans « La plus courte histoire du temps ». (Stephen Hawking a utilisé des équations mathématiques pour prouver que l'horizon des événements d'un trou noir est beaucoup plus large et qu'il possède une entropie, qui se manifeste par un rayonnement.) La présentation du matériel incluait non seulement les idées du livre précédent, mais s'enrichissait également de manière significative. la théorie de la relation entre l'espace et le temps. Vous trouverez ici un résumé des expériences scientifiques réalisées avec le satellite COBE et le télescope spatial Hubble. Se dévoile assez clairement la « théorie des cordes », dont l'intérêt réside dans une généralisation extrêmement large : caractériser toutes les particules élémentaires à la fois. Les dernières conclusions de la modélisation mathématique (le principe de la dualité onde-particule) sont présentées à un niveau compréhensible.

conclusions

Qui est-il, Stephen Hawking ? Professeur d'astrophysique, père de trois enfants. Sa théorie constitue une avancée majeure dans le domaine de la physique quantique. De vénérables experts le considèrent comme « le numéro un » dans ce domaine. Et Stephen Hawking est pratiquement immobilisé depuis plus de 20 ans. Par ailleurs, la sclérose amyotrophique progresse constamment. De plus, à la suite d'une complication survenue après une pneumonie, une partie de sa trachée a été retirée, ce qui prive complètement le scientifique de la capacité de parler. Il se rend à Cambridge dans un fauteuil roulant alimenté par batterie. Son cerveau fonctionne de manière puissante et systématique. À l'aide de capteurs sensibles, à l'aide d'un ordinateur, le professeur tape des phrases, qui sont ensuite prononcées dans la chaise. Toute sa vie est constituée de pensées intangibles pour ceux qui l'entourent, mais déchiffrées par l'ordinateur, et leur expression vivante est la livre « La plus courte histoire du temps ». Stephen Hawking est l'une des personnes les plus respectées de Grande-Bretagne. Plus précisément, il est troisième, après le champion du monde de rugby Wilkinson et le footballeur Beckham. Le courage et l'intelligence de cet homme sont vraiment admirables.

10. Une brève histoire du temps

L’idée d’écrire un livre de vulgarisation scientifique sur l’Univers m’est venue pour la première fois en 1982. Une partie de mon objectif était de gagner de l’argent pour payer les frais de scolarité de ma fille. (En fait, au moment où le livre est sorti, elle était déjà en dernière année.) Mais la principale raison pour laquelle j'ai écrit ce livre était que je voulais expliquer jusqu'où je pense que nous avons progressé dans la compréhension de l'Univers : à quel point nous sommes proches de l'Univers. il s'agit peut-être déjà de créer une théorie complète décrivant l'Univers et tout ce qu'il contient.

Puisque j’allais consacrer du temps et des efforts à l’écriture d’un livre comme celui-ci, je voulais que le plus grand nombre de personnes possible le lise. Avant cela, mes livres purement scientifiques étaient publiés par Cambridge University Press. L'éditeur a fait du bon travail, mais je sentais qu'il ne parviendrait pas à toucher un public aussi large que je le souhaiterais. J'ai donc contacté l'agent littéraire Al Zuckerman, qui m'a été présenté comme le gendre d'un de mes collègues. Je lui ai remis une ébauche du premier chapitre et lui ai expliqué mon envie de faire un livre comme ceux vendus dans les kiosques des aéroports. Il m'a dit qu'il n'y avait aucune chance que cela se produise. Les scientifiques et les étudiants l'achèteront bien sûr, mais un tel livre ne pénétrera pas sur le territoire de Jeffrey Archer.

J'ai donné la première version du livre à Zuckerman en 1984. Il l'a envoyé à plusieurs éditeurs et leur a recommandé d'accepter l'offre de Norton, une maison d'édition américaine d'élite. Mais contrairement à ses recommandations, j'ai accepté l'offre de Bantam Books, une maison d'édition destinée au grand public. Bien que Bantam ne se spécialise pas dans l'édition de livres de non-fiction, ses livres étaient largement disponibles dans les librairies des aéroports.

Peut-être que Bantam s'est intéressé à ce livre grâce à l'un de ses éditeurs, Peter Guzzardi. Il a pris son travail très au sérieux et m'a forcé à réécrire le livre afin qu'il puisse être compris par des non-experts comme lui. Chaque fois que je lui envoyais un chapitre révisé, il répondait par une longue liste de lacunes et de problèmes qui, selon lui, devaient être clarifiés. Parfois, je pensais que ce processus ne finirait jamais. Mais il avait raison : le livre s’est ainsi révélé bien meilleur.

Mon travail sur le livre a été interrompu par une pneumonie, que j'ai contractée au CERN. Il aurait été totalement impossible de terminer le livre sans le programme informatique qui m'a été fourni. C'était assez lent, mais je réfléchissais tranquillement à ce moment-là, donc c'était tout à fait approprié. Avec son aide, sous l'impulsion de Guzzardi, j'ai presque entièrement réécrit le texte original. Un de mes étudiants, Brian Witt, m'a aidé dans cette révision.

Couverture de la première édition de Une brève histoire du temps

J'ai été très impressionné par la série télévisée L'Ascension de l'Homme de Jacob Bronowski. (Un nom aussi sexiste ne serait pas autorisé aujourd’hui.) Il donnait une idée des réalisations de la race humaine et de son développement depuis les sauvages primitifs il y a seulement quinze mille ans jusqu’à notre État moderne. Je voulais évoquer des sentiments similaires concernant notre mouvement vers une compréhension complète des lois qui régissent l’Univers. J'étais sûr que presque tout le monde s'intéresse au fonctionnement de l'univers, mais la plupart des gens ne peuvent pas comprendre les équations mathématiques. Je ne les aime pas vraiment moi-même. En partie parce que c’est difficile pour moi de les écrire, mais l’essentiel est que je n’ai pas un sens intuitif des formules. Au lieu de cela, je pense en images visuelles et, dans mon livre, j'ai essayé d'exprimer ces images avec des mots, en utilisant des analogies familières et un petit nombre de diagrammes. En choisissant cette voie, j'espérais que la plupart des gens pourraient partager avec moi l'admiration pour les succès que la physique a obtenus grâce à ses progrès incroyables au cours des cinquante dernières années.

Et pourtant, certaines choses sont difficiles à comprendre, même si l’on évite les calculs mathématiques. Le problème auquel j’étais confronté était le suivant : dois-je essayer de les expliquer au risque d’induire les gens en erreur, ou dois-je simplement balayer les poubelles sous le tapis, pour ainsi dire ? Certains concepts inhabituels, comme le fait que des observateurs se déplaçant à des vitesses différentes mesurent des durées différentes pour la même paire d'événements, n'étaient pas pertinents pour le tableau que je voulais dresser. J'ai donc pensé que je pouvais simplement les mentionner sans entrer dans les détails. Mais il y avait aussi des idées complexes qui étaient essentielles à ce que je cherchais à transmettre.

Il y avait deux concepts que je pensais particulièrement importants à inclure dans le livre. L’un d’eux est ce qu’on appelle la sommation par l’histoire. C'est l'idée que l'univers a plus d'une histoire. Au lieu de cela, il existe la totalité de toutes les histoires possibles de l’univers, et toutes ces histoires sont également réelles (quoi que cela signifie). Une autre idée nécessaire pour donner un sens mathématique à la sommation des histoires est le temps imaginaire. Je réalise maintenant que j'aurais dû faire plus d'efforts pour expliquer ces deux concepts car c'étaient les parties du livre avec lesquelles les gens avaient le plus de difficultés. Cependant, il n'est pas du tout nécessaire de comprendre exactement ce qu'est le temps imaginaire ; il suffit bien de savoir qu'il diffère de ce que l'on appelle le temps réel.

Alors que le livre était sur le point d'être publié, le scientifique à qui on avait envoyé un exemplaire à l'avance pour préparer une critique pour le magazine Nature, a été horrifié d'y découvrir un grand nombre d'erreurs - des photographies et des schémas mal placés avec des signatures incorrectes. Il a appelé Bantam, ils ont également été horrifiés et le même jour ils ont rappelé et détruit toute la circulation. (Les exemplaires survivants de cette première édition sont désormais susceptibles d'être très prisés.) L'éditeur a passé trois semaines de travail acharné à réviser et à corriger l'intégralité du livre, et il était prêt à temps pour arriver dans les magasins à temps pour la date de sortie annoncée du poisson d'avril. . Poisson d'avril. Puis le magazine Temps a publié une note biographique à mon sujet avec en couverture.

Malgré tout cela, Bantam a été surpris par la demande pour mon livre. Il est resté sur la liste des best-sellers Le New York Times pendant 147 semaines, et sur la liste des best-sellers de Londres Horaires - en un temps record de 237 semaines, a été traduit en 40 langues et vendu à plus de 10 millions d'exemplaires dans le monde.

À l'origine, j'avais intitulé le livre Du Big Bang aux trous noirs : une brève histoire du temps, mais Guzzardi a permuté le titre et le sous-titre et les a remplacés par « court ». C'était génial et a dû grandement contribuer au succès du livre. Depuis, de nombreuses « brèves histoires » de ceci ou cela et même « Une brève histoire du thym » sont apparues. L'imitation est la plus sincère des flatteries.

Pourquoi les gens ont-ils autant acheté ce livre ? Il m’est difficile d’avoir confiance en mon objectivité et je préfère citer ce que d’autres ont dit. Il s'est avéré que la majorité des critiques, même si elles étaient positives, n'apportaient pas beaucoup de précisions. Fondamentalement, ils sont construits selon le même schéma : Stephen Hawking souffre de la maladie de Lou Gehrig(terme utilisé dans les revues américaines), ou maladie du motoneurone(Revues britanniques). Il est confiné dans un fauteuil roulant, ne peut pas parler et ne bouge que N doigts(Où N variait de un à trois, selon le degré d'inexactitude de l'article sur moi que le critique avait lu). Et pourtant, il a écrit ce livre sur la plus grande question de toutes : d’où venons-nous et où allons-nous ? La réponse proposée par Hawking est que l’univers n’a pas été créé et ne sera jamais détruit – il l’est tout simplement. Pour exprimer cette idée, Hawking introduit le concept de temps imaginaire, que je(c'est-à-dire le critique) Je trouve cela un peu difficile à comprendre. Cependant, si Hawking a raison et que nous trouvons une théorie unifiée complète, alors nous comprendrons vraiment le dessein de Dieu.(Pendant la phase de relecture, j'ai presque supprimé la dernière phrase du livre sur la compréhension du plan de Dieu. Si j'avais fait cela, les ventes auraient chuté de moitié.)

Je pense que l'article du journal de Londres est beaucoup plus perspicace L'indépendant, où l’on dit que même un livre scientifique aussi sérieux que « Une brève histoire du temps » peut devenir culte. J’ai été très flatté par sa comparaison avec le livre « Le Zen et l’art de l’entretien des motos ». J’espère que, tout comme lui, mon livre donnera aux gens le sentiment qu’ils ne doivent pas ignorer les grandes questions intellectuelles et philosophiques.

Sans aucun doute, l’intérêt humain pour l’histoire de la manière dont j’ai réussi à devenir physicien théoricien, malgré mon handicap, a également joué un rôle. Mais ceux qui ont acheté le livre juste pour cela ont été déçus, car mon état n'a été mentionné qu'à quelques reprises. Le livre était censé être une histoire de l’univers, et pas du tout mon histoire. Cela n'a pas protégé l'éditeur Bantam des accusations selon lesquelles ils exploitaient sans vergogne ma maladie et que je leur faisais plaisir en autorisant que ma photo soit placée sur la couverture. En fait, selon le contrat, je n'avais aucun droit d'influencer le design de la couverture. J'ai cependant réussi à convaincre l'éditeur d'utiliser pour l'édition britannique une meilleure photo que la photo merdique et dépassée de la version américaine. Cependant, sur la couverture américaine, la photo est restée la même car, comme on m'a dit, le public américain a identifié cette photo avec le livre lui-même.

Il a également été suggéré que de nombreuses personnes achetaient ce livre pour l’afficher sur leur étagère ou sur leur table basse sans le lire réellement. Je suis sûr que c'était le cas, même si je ne pense pas que ce soit plus le cas que pour de nombreux autres livres sérieux. Et pourtant, je sais qu'au moins certains lecteurs ont dû s'en sortir, car je reçois chaque jour une pile de lettres à propos de ce livre, dont beaucoup contiennent des questions ou des commentaires détaillés, ce qui indique que les gens lisent ce livre. s'ils ne l'ont pas bien compris. Les gens m'arrêtent aussi dans la rue et me disent à quel point ils ont aimé ça. La fréquence avec laquelle je reçois de telles expressions de reconnaissance publique (même si je suis bien sûr un auteur très différent, sinon le plus excellent) me semble rassurer sur le fait qu'une certaine proportion des personnes qui ont acheté le livre l'ont effectivement lu. il.

Après Une brève histoire du temps, j’ai écrit plusieurs autres livres pour faire connaître les connaissances scientifiques à un public plus large. Il s'agit de « Trous noirs et jeunes univers », « Le monde en bref » et « Le plus grand design ». Je pense qu'il est très important que les gens aient une connaissance de base de la science qui leur permettra de prendre des décisions éclairées dans un monde où la science et la technologie jouent de plus en plus de rôles. De plus, ma fille Lucy et moi avons écrit une série de livres pour enfants, les adultes de demain. Ce sont des récits d’aventures basés sur des idées scientifiques.

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Stephen Hawking

UNE BRÈVE HISTOIRE DU TEMPS:

DU BIG BANG AUX TROUS NOIRS

Préface

Je n’ai pas écrit la préface de la première édition de Une brève histoire du temps. Carl Sagan l'a fait. Au lieu de cela, j'ai ajouté une courte section intitulée « Remerciements », dans laquelle j'ai été encouragé à exprimer ma gratitude à tout le monde. Il est vrai que certaines des fondations caritatives qui m'ont soutenu n'étaient pas très contentes que je les mentionne - elles ont reçu beaucoup plus de candidatures.

Je pense que personne – ni l’éditeur, ni mon agent, ni même moi-même – ne s’attendait à ce que ce livre connaisse un tel succès. Il figure sur la liste des best-sellers du journal londonien. Horaires du dimanche jusqu'à 237 semaines - c'est plus que tout autre livre (bien sûr, sans compter la Bible et les œuvres de Shakespeare). Il a été traduit dans une quarantaine de langues et vendu en grand nombre - pour 750 habitants de la Terre, hommes, femmes et enfants, il en existe environ un exemplaire. Comme l'a noté Nathan Myhrvold du cabinet Microsoft(c'est mon ancien étudiant diplômé), j'ai vendu plus de livres sur la physique que Madonna n'a vendu de livres sur le sexe.

Le succès de Une brève histoire du temps signifie que les gens sont très intéressés par des questions fondamentales sur d’où nous venons et pourquoi l’univers est tel que nous le connaissons.

J'ai profité de l'occasion qui m'était présentée pour compléter le livre avec des données d'observation et des résultats théoriques plus récents obtenus après la sortie de la première édition (1er avril 1988, le jour du poisson d'avril). J'ai ajouté un nouveau chapitre sur les trous de ver et les voyages dans le temps. Il semble que la théorie générale de la relativité d'Einstein autorise la possibilité de créer et de maintenir des trous de ver, de petits tunnels reliant différentes régions de l'espace-temps. Dans ce cas, nous pourrions les utiliser pour nous déplacer rapidement dans la Galaxie ou pour voyager dans le temps. Bien sûr, nous n’avons pas encore rencontré un seul extraterrestre du futur (ou peut-être l’avons-nous fait ?), mais je vais essayer de deviner quelle pourrait en être l’explication.

Je discuterai également des progrès récents dans la recherche de la « dualité », ou correspondance, entre des théories physiques apparemment différentes. Ces correspondances constituent des preuves sérieuses en faveur de l’existence d’une théorie physique unifiée. Mais ils suggèrent également que la théorie n’est peut-être pas formulée de manière cohérente et fondamentale. Au lieu de cela, dans différentes situations, il faut se contenter de différentes « réflexions » de la théorie sous-jacente. De même, nous ne pouvons pas représenter la totalité de la surface de la Terre en détail sur une seule carte et sommes obligés d'utiliser différentes cartes pour différentes zones. Une telle théorie révolutionnerait nos idées sur la possibilité d’unifier les lois de la nature.

Cependant, cela n’affecterait en rien le plus important : l’Univers est soumis à un ensemble de lois rationnelles que nous sommes capables de découvrir et de comprendre.

En ce qui concerne l'aspect observationnel, la réalisation la plus importante ici, bien sûr, a été la mesure des fluctuations du rayonnement de fond cosmique micro-ondes dans le cadre du projet COBE(Anglais) Explorateur de fond cosmique –"Chercheur sur le rayonnement de fond cosmique") 1
Les fluctuations, ou anisotropies, du rayonnement de fond cosmique des micro-ondes ont été découvertes pour la première fois par le projet soviétique Relict. – Note scientifique éd.

Et d'autres. Ces fluctuations sont, par essence, le « sceau » de la création. Nous parlons de très petites inhomogénéités dans l’Univers primitif, qui était par ailleurs assez homogène. Par la suite, ils se sont transformés en galaxies, étoiles et autres structures que l’on observe au télescope. Les formes de fluctuations sont cohérentes avec les prédictions d'un modèle de l'Univers qui n'a pas de frontières dans la direction du temps imaginaire. Mais afin de préférer le modèle proposé à d’autres explications possibles des fluctuations du CMB, de nouvelles observations seront nécessaires. Dans quelques années, il deviendra clair si notre Univers peut être considéré comme complètement fermé, sans début ni fin.

Stephen Hawking

Chapitre premier. Notre image de l'Univers

Un jour, un scientifique célèbre (on dit que c'était Bertrand Russell) a donné une conférence publique sur l'astronomie. Il a expliqué comment la Terre se déplace en orbite autour du Soleil et comment le Soleil, à son tour, se déplace en orbite autour du centre d'un immense amas d'étoiles appelé notre Galaxie. À la fin de la conférence, une petite femme âgée au dernier rang du public s'est levée et a déclaré : « Tout ce qui a été dit ici est complètement absurde. Le monde est une assiette plate posée sur le dos d’une tortue géante. » Le scientifique a souri avec condescendance et a demandé : « Sur quoi se tient cette tortue ? "Vous êtes un jeune homme très intelligent, très intelligent", répondit la dame. "Une tortue se tient sur une autre tortue, et cette tortue se tient sur la suivante, et ainsi de suite à l'infini !"

La plupart trouveraient ridicule d’essayer de faire passer notre Univers pour une tour de tortues infiniment haute. Mais pourquoi sommes-nous si sûrs que notre idée du monde est meilleure ? Que savons-nous vraiment de l’Univers et comment savons-nous tout cela ? Comment l’Univers est-il né ? Que lui réserve l'avenir ? L’Univers a-t-il eu un commencement, et si oui, qu’est-ce qui l’a précédé ? Quelle est la nature du temps ? Est-ce que ça finira un jour ? Est-il possible de remonter le temps ? Certaines de ces questions de longue date trouvent une réponse grâce aux récentes avancées de la physique, en partie grâce à l’avènement de nouvelles technologies fantastiques. Un jour, nous découvrirons de nouvelles connaissances aussi évidentes que le fait que la Terre tourne autour du Soleil. Ou peut-être aussi absurde que l’idée d’une tour de tortues. Seul le temps (quoi qu’il en soit) nous le dira.

Il y a bien longtemps, 340 ans avant JC, le philosophe grec Aristote écrivait un traité « Du Ciel ». Il y présente deux preuves convaincantes que la Terre est sphérique et pas du tout plate, comme une plaque. Premièrement, il réalisa que la cause des éclipses lunaires était le passage de la Terre entre le Soleil et la Lune. L’ombre projetée par la Terre sur la Lune est toujours de forme ronde, et cela n’est possible que si la Terre est également ronde. Si la Terre avait la forme d’un disque plat, l’ombre serait généralement elliptique ; Il ne serait rond que si le Soleil lors d'une éclipse était situé exactement sous le centre du disque. Deuxièmement, les anciens Grecs savaient, grâce à l'expérience de leurs voyages, que dans le sud, l'étoile polaire est située plus près de l'horizon que lorsqu'elle est observée dans les zones situées au nord. (Puisque l'étoile polaire est située au-dessus du pôle Nord, un observateur au pôle Nord la voit directement au-dessus de lui et un observateur près de l'équateur la voit juste au-dessus de l'horizon.) De plus, Aristote, en se basant sur la différence de position apparente de l'Étoile du Nord, lors d'observations en Egypte et en Grèce, a pu estimer la circonférence de la Terre à 400 000 stades. Nous ne savons pas exactement à quoi équivalait un stade, mais si nous supposons qu'il faisait environ 180 mètres, alors l'estimation d'Aristote est environ le double de la valeur actuellement acceptée. Les Grecs avaient également un troisième argument en faveur de la forme ronde de la Terre : comment expliquer autrement pourquoi, lorsqu'un navire s'approche du rivage, seules ses voiles sont d'abord montrées, et ensuite seulement la coque ?

Aristote croyait que la Terre était immobile et croyait également que le Soleil, la Lune, les planètes et les étoiles tournaient sur des orbites circulaires autour de la Terre. Il était guidé par des considérations mystiques : la Terre, selon Aristote, est le centre de l'Univers, et le mouvement circulaire est le plus parfait. Au IIe siècle après JC, Ptolémée construisit un modèle cosmologique complet basé sur cette idée. Au centre de l'Univers se trouvait la Terre, entourée de huit sphères rotatives imbriquées, et sur ces sphères se trouvaient la Lune, le Soleil, les étoiles et les cinq planètes connues à cette époque : Mercure, Vénus, Mars, Jupiter et Saturne (Fig. 1.1). Chaque planète se déplaçait par rapport à sa sphère selon un petit cercle - afin de décrire les trajectoires très complexes de ces luminaires dans le ciel. Les étoiles étaient fixées à la sphère extérieure et, par conséquent, leurs positions relatives restaient inchangées, la configuration tournant dans le ciel comme un tout. Les idées sur ce qui se trouvait en dehors de la sphère extérieure restaient très vagues, mais cela se trouvait certainement en dehors de la partie de l’Univers accessible à l’humanité pour l’observation.

Le modèle de Ptolémée a permis de prédire assez précisément la position des luminaires dans le ciel. Mais pour parvenir à un accord entre les prédictions et les observations, Ptolémée a dû supposer que la distance entre la Lune et la Terre à différents moments pouvait différer d'un facteur deux. Cela signifiait que la taille apparente de la Lune devait parfois être deux fois plus grande que d'habitude ! Ptolémée était conscient de cette lacune de son système, ce qui n'a néanmoins pas empêché la reconnaissance quasi unanime de sa vision du monde. L’Église chrétienne a accepté le système ptolémaïque parce qu’elle le trouvait conforme à l’Écriture : il y avait beaucoup de place pour le ciel et l’enfer au-delà de la sphère des étoiles fixes.

Mais en 1514, le prêtre polonais Nicolas Copernic propose un modèle plus simple. (Cependant, au début, de peur d'être accusé d'hérésie par l'Église, Copernic a diffusé ses idées cosmologiques de manière anonyme.) Copernic a proposé que le Soleil était immobile et situé au centre, et que la Terre et les planètes se déplaçaient autour de lui sur des orbites circulaires. Il a fallu près d’un siècle pour que cette idée soit prise au sérieux. Deux astronomes, l'Allemand Johannes Kepler et l'Italien Galileo Galilei, furent parmi les premiers à se prononcer publiquement en faveur de la théorie copernicienne, malgré le fait que les trajectoires des corps célestes prédites par cette théorie ne coïncidaient pas exactement avec celles observées. Le coup final porté au système mondial d'Aristote et de Ptolémée a été porté par les événements de 1609 - alors Galilée a commencé à observer le ciel nocturne à travers le télescope nouvellement inventé. 2
Le télescope comme lunette d'observation a été inventé pour la première fois par le fabricant de lunettes néerlandais Johann Lippershey en 1608, mais Galilée a été le premier à pointer un télescope vers le ciel en 1609 et à l'utiliser pour des observations astronomiques. – Note traduction

En regardant la planète Jupiter, Galilée a découvert plusieurs petites lunes en orbite autour d'elle. Il s'ensuit que tous les corps célestes ne tournent pas autour de la Terre, comme le croyaient Aristote et Ptolémée. (On pourrait bien sûr continuer à considérer la Terre stationnaire et située au centre de l'Univers, en croyant que les satellites de Jupiter se déplacent autour de la Terre selon des trajectoires extrêmement complexes si bien que cela s'apparente à leur révolution autour de Jupiter. Mais quand même, La théorie de Copernic était beaucoup plus simple.) À peu près au même moment, Kepler a clarifié la théorie copernicienne, suggérant que les planètes ne se déplacent pas sur des orbites circulaires, mais sur des orbites elliptiques (c'est-à-dire allongées), grâce auxquelles il a été possible de parvenir à un accord. entre les prédictions de la théorie et les observations.

Il est vrai que Kepler considérait les ellipses uniquement comme une astuce mathématique, et très odieuse, car les ellipses sont des figures moins parfaites que les cercles. Kepler a découvert, presque par accident, que les orbites elliptiques décrivaient bien les observations, mais il ne pouvait pas concilier l'hypothèse des orbites elliptiques avec son idée des forces magnétiques comme cause du mouvement des planètes autour du Soleil. La raison du mouvement des planètes autour du Soleil a été révélée bien plus tard, en 1687, par Sir Isaac Newton dans son traité « Principes mathématiques de philosophie naturelle » - peut-être l'ouvrage de physique le plus important jamais publié. Dans cet ouvrage, Newton a non seulement proposé une théorie décrivant le mouvement des corps dans l'espace et le temps, mais a également développé un appareil mathématique complexe nécessaire pour décrire ce mouvement. De plus, Newton a formulé la loi de la gravitation universelle, selon laquelle chaque corps de l'Univers est attiré vers tout autre corps avec une force qui est d'autant plus grande que plus la masse des corps est grande et plus la distance entre les corps en interaction est petite. C’est la même force qui fait tomber les objets au sol. (L'histoire selon laquelle l'idée de Newton sur la loi de la gravitation universelle a été inspirée par une pomme tombant sur sa tête n'est probablement qu'une fiction. Newton a seulement dit que l'idée lui était venue alors qu'il était « d'humeur contemplative » et qu'il était "sous l'impression de la chute d'une pomme.") Newton a montré que, selon la loi qu'il a formulée, sous l'influence de la gravité, la Lune devrait se déplacer sur une orbite elliptique autour de la Terre, et la Terre et les planètes devraient se déplacer sur des orbites elliptiques autour du Soleil.

Le modèle copernicien a éliminé le besoin de sphères ptolémaïques, et avec elles l’hypothèse selon laquelle l’Univers possédait une sorte de frontière externe naturelle. Puisque les étoiles « fixes » ne présentaient aucun mouvement autre que le mouvement général quotidien du ciel provoqué par la rotation de la Terre autour de son axe, il était naturel de supposer qu'il s'agissait des mêmes corps que notre Soleil, mais situés beaucoup plus loin. loin.

Newton s'est rendu compte que selon sa théorie de la gravité, les étoiles doivent s'attirer les unes les autres et ne peuvent donc apparemment pas rester immobiles. Pourquoi ne se sont-ils pas rapprochés et ne se sont-ils pas accumulés au même endroit ? Dans une lettre écrite en 1691 à un autre penseur éminent de son époque, Richard Bentley, Newton affirmait qu'elles ne convergeraient et ne se regrouperaient que si le nombre d'étoiles concentrées dans une région limitée de l'espace était fini. Et si le nombre d'étoiles est infini et qu'elles sont réparties plus ou moins uniformément dans un espace infini, alors cela n'arrivera pas en raison de l'absence de tout point central évident dans lequel les étoiles pourraient « tomber ».

C’est l’un de ces pièges qui surviennent lorsque l’on pense à l’infini. Dans un Univers infini, n'importe quel point peut être considéré comme son centre, car de chaque côté se trouve un nombre infini d'étoiles. L'approche correcte (qui est venue beaucoup plus tard) consiste à résoudre le problème dans le cas fini où les étoiles tombent les unes sur les autres, et à étudier comment le résultat change lors de l'ajout d'étoiles à la configuration qui sont situées en dehors de la région considérée et sont distribuées plus ou moins. moins uniformément. Selon la loi de Newton, en moyenne, les étoiles supplémentaires dans l'agrégat ne devraient avoir aucun effet sur les étoiles d'origine, et donc ces étoiles de la configuration d'origine devraient quand même tomber rapidement les unes dans les autres. Ainsi, peu importe le nombre d’étoiles que vous ajoutez, elles tomberont toujours les unes sur les autres. Nous savons désormais qu’il est impossible d’obtenir un modèle stationnaire infini de l’Univers dans lequel la force de gravité serait exclusivement de nature « attractive ».

Le fait que personne ne pensait alors à un scénario selon lequel l'Univers pourrait se contracter ou s'étendre en dit long sur l'atmosphère intellectuelle d'avant le début du XXe siècle. Le concept généralement accepté de l'Univers était soit qu'il avait toujours existé sous une forme inchangée, soit qu'il avait été créé à un moment donné dans le passé - sous la forme sous laquelle nous l'observons aujourd'hui. Cela pourrait être en partie dû au fait que les gens ont tendance à croire aux vérités éternelles. Il convient au moins de rappeler que le plus grand réconfort vient de la pensée que même si nous vieillissons et mourons tous, l’Univers est éternel et immuable.

Même les scientifiques qui ont compris que, selon la théorie de la gravité de Newton, l'Univers ne pouvait pas être statique, n'ont pas osé suggérer qu'il pouvait s'étendre. Au lieu de cela, ils ont essayé d’ajuster la théorie de manière à ce que la force gravitationnelle devienne répulsive sur de très grandes distances. Cette hypothèse ne modifiait pas de manière significative les mouvements prévus des planètes, mais permettait à un nombre infini d'étoiles de rester en état d'équilibre : les forces attractives des étoiles proches étaient contrebalancées par les forces répulsives des étoiles plus lointaines. On pense maintenant qu'un tel état d'équilibre doit être instable : dès que les étoiles d'une région se rapprochent un peu les unes des autres, leur attraction mutuelle s'intensifiera et dépassera les forces répulsives, de sorte que les étoiles continueront à tomber les uns sur les autres. En revanche, si les étoiles ne sont que légèrement plus éloignées les unes des autres, les forces répulsives l’emporteront sur les forces attractives et les étoiles s’envoleront.

Une autre objection au concept d’univers statique infini est généralement associée au nom du philosophe allemand Heinrich Olbers, qui a publié son raisonnement sur ce sujet en 1823. En fait, de nombreux contemporains de Newton ont attiré l'attention sur ce problème, et l'article d'Olbers n'était en aucun cas le premier à présenter des arguments solides contre un tel concept. Cependant, ce fut le premier à recevoir une large reconnaissance. Le fait est que dans un Univers statique infini, presque tous les rayons de vision devraient reposer sur la surface d'une étoile et que, par conséquent, le ciel tout entier devrait briller aussi brillamment que le Soleil, même la nuit. Le contre-argument d'Olbers était que la lumière provenant d'étoiles lointaines devait être atténuée par absorption par la matière entre nous et ces étoiles. Mais alors cette substance se réchaufferait et brillerait aussi brillamment que les étoiles elles-mêmes. La seule façon d’éviter de conclure que la luminosité du ciel tout entier est comparable à la luminosité du Soleil est de supposer que les étoiles n’ont pas brillé éternellement, mais « se sont allumées » il y a un moment précis. Dans ce cas, la substance absorbante n’aurait pas le temps de se réchauffer ou la lumière des étoiles lointaines n’aurait pas le temps de nous parvenir. Ainsi, nous arrivons à la question de savoir pourquoi les étoiles se sont allumées.

Bien sûr, les gens discutaient de l’origine de l’univers bien avant cela. Dans de nombreuses idées cosmologiques anciennes, ainsi que dans les représentations juives, chrétiennes et musulmanes du monde, l’Univers est apparu à une époque donnée et pas très lointaine du passé. L'un des arguments en faveur d'un tel début était le sentiment de la nécessité d'une sorte de cause première qui expliquerait l'existence de l'Univers. (Au sein de l’Univers lui-même, tout événement qui s’y produit est expliqué comme la conséquence d’un autre événement antérieur ; l’existence de l’Univers lui-même ne peut être expliquée de cette manière qu’en supposant qu’il a eu une sorte de commencement.) Un autre argument était exprimé par Aurelius Augustin, ou saint Augustin, dans l'ouvrage « De la Cité de Dieu ». Il a noté que la civilisation se développe et que l'on se souvient de qui a commis tel ou tel acte ou inventé tel ou tel mécanisme. Par conséquent, l’homme, et peut-être l’Univers, n’auraient pas pu exister depuis très longtemps. Saint Augustin croyait, conformément au livre de la Genèse, que l'Univers avait été créé environ 5 000 ans avant la naissance du Christ. (Il est intéressant de noter que nous sommes proches de la fin de la dernière période glaciaire – environ 10 000 avant JC – que les archéologues considèrent comme le début de la civilisation.)

Aristote, ainsi que la plupart des philosophes grecs antiques, au contraire, n’aimaient pas l’idée de la création du monde, car elle provenait d’une intervention divine. Ils croyaient que la race humaine et le monde ont toujours existé et existeront pour toujours. Les penseurs de l'Antiquité ont également compris l'argument mentionné ci-dessus sur le progrès de la civilisation et l'ont répliqué : ils ont déclaré que la race humaine revenait périodiquement au stade du début de la civilisation sous l'influence des inondations et d'autres catastrophes naturelles.

La question de savoir si l'Univers a eu un commencement dans le temps et s'il est limité dans l'espace a également été soulevée par le philosophe Emmanuel Kant dans son ouvrage monumental (bien que très difficile à comprendre) « Critique de la raison pure », publié en 1781. Kant a appelé ces questions les antinomies (c'est-à-dire les contradictions) de la raison pure parce qu'il estimait qu'il y avait des arguments tout aussi convaincants en faveur de la thèse - c'est-à-dire que l'Univers a eu un commencement - et de l'antithèse, c'est-à-dire que l'Univers a eu un commencement. a toujours existé. Pour prouver sa thèse, Kant cite le raisonnement suivant : si l'Univers n'avait pas de commencement, alors tout événement aurait dû être précédé d'un temps infini, ce qui, selon le philosophe, est absurde. En faveur de l'antithèse, l'idée a été avancée que si l'Univers avait un commencement, alors un temps infini aurait dû s'écouler avant lui, et il n'est pas clair pourquoi l'Univers est apparu à un moment donné. En substance, les justifications kantiennes de la thèse et de l’antithèse sont presque identiques. Dans les deux cas, le raisonnement repose sur l’hypothèse implicite du philosophe selon laquelle le temps continue indéfiniment dans le passé, que l’Univers ait toujours existé ou non. Comme nous le verrons, la notion de temps n’a aucun sens jusqu’à la naissance de l’Univers. Saint Augustin fut le premier à le remarquer. On lui a demandé : « Qu'a fait Dieu avant de créer le monde ? » et Augustin n'a pas soutenu que Dieu préparait l'enfer pour ceux qui posaient de telles questions. Au lieu de cela, il a postulé que le temps est une propriété du monde créé par Dieu et qu'avant le début de l'univers, le temps n'existait pas.

Alors que la plupart des gens considéraient l’univers dans son ensemble comme statique et immuable, la question de savoir s’il avait eu un commencement relevait davantage de la métaphysique ou de la théologie. L'image observée du monde pourrait tout aussi bien s'expliquer à la fois dans le cadre de la théorie selon laquelle l'Univers a toujours existé, et sur la base de l'hypothèse selon laquelle il a été mis en mouvement à un moment précis, mais de telle manière que le l'apparence demeure qu'elle existe pour toujours. Mais en 1929, Edwin Hubble fait une découverte fondamentale : il remarque que les galaxies lointaines, peu importe où elles se trouvent dans le ciel, s'éloignent toujours de nous à des vitesses élevées [proportionnelles à leur distance]. 3
Ici et ci-dessous, les commentaires du traducteur clarifiant le texte de l'auteur sont placés entre crochets. – Note éd.

En d’autres termes, l’Univers est en expansion. Cela signifie que dans le passé, les objets de l’Univers étaient plus proches les uns des autres qu’aujourd’hui. Et il semble qu'à un moment donné - il y a 10 à 20 milliards d'années - tout ce qui se trouve dans l'Univers était concentré en un seul endroit, et donc la densité de l'Univers était infinie. Cette découverte a amené la question du commencement de l’Univers dans le domaine scientifique.

UNE BRÈVE HISTOIRE DU TEMPS

La maison d'édition exprime sa gratitude aux agences littéraires Writers House LLC (États-Unis) et Synopsis Literary Agency (Russie) pour leur aide dans l'acquisition des droits.

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Dédié à Jane

Gratitude

On m’a dit que chaque formule incluse dans le livre réduirait de moitié le nombre d’acheteurs. Ensuite, j'ai décidé de me passer complètement de formules. C'est vrai, à la fin j'ai quand même écrit une équation - la fameuse équation d'Einstein E=mc². J'espère que cela n'effraiera pas la moitié de mes lecteurs potentiels.

En dehors de ma maladie - la sclérose latérale amyotrophique - j'ai eu de la chance dans presque tout le reste. L'aide et le soutien apportés par ma femme Jane et mes enfants Robert, Lucy et Timothy m'ont permis de mener une vie relativement normale et de réussir au travail. J’ai aussi eu la chance d’avoir choisi la physique théorique, car tout cela rentre dans ma tête. Par conséquent, ma faiblesse physique n’est pas devenue un obstacle sérieux. Mes collègues, sans exception, m'ont toujours apporté le maximum d'aide.

Au cours de la première étape, « classique » de mon travail, mes collègues et assistants les plus proches étaient Roger Penrose, Robert Gerok, Brandon Carter et George Ellis. Je leur suis reconnaissant pour leur aide et leur coopération. Cette phase a culminé avec la publication du livre « Large-Scale Structure of Spacetime », qu'Ellis et moi avons écrit en 1973. Je ne conseillerais pas aux lecteurs de s'y référer pour plus d'informations : il est surchargé de formules et difficile à lire. J'espère que depuis, j'ai appris à écrire de manière plus accessible.

Au cours de la deuxième phase « quantique » de mon travail, qui a débuté en 1974, j'ai travaillé principalement avec Gary Gibbons, Don Page et Jim Hartle. Je leur dois beaucoup, ainsi qu’à mes étudiants diplômés, qui m’ont apporté une aide considérable, tant au sens « physique » que « théorique » du terme. Le besoin de suivre le rythme des étudiants diplômés était un facteur de motivation extrêmement important et, je pense, m'a empêché de m'enliser dans un bourbier.

Brian Witt, un de mes étudiants, m'a beaucoup aidé dans l'écriture de ce livre. En 1985, après avoir esquissé les premières ébauches du livre, je suis tombé malade d'une pneumonie. Et puis l’opération, et après la trachéotomie, j’ai arrêté de parler, perdant essentiellement la capacité de communiquer. Je pensais que je n'arriverais pas à terminer le livre. Mais Brian ne m'a pas seulement aidé à le réviser, il m'a également appris à utiliser le programme informatique de communication du Living Center, qui m'a été donné par Walt Waltosh de Words Plus, Inc., Sunnyvale, Californie. Avec son aide, je peux écrire des livres et des articles, mais aussi parler aux gens grâce à un synthétiseur vocal qui m'a été offert par une autre société de Sunnyvale, Speech Plus. David Mason a installé ce synthétiseur et un petit ordinateur personnel sur mon fauteuil roulant. Ce système a tout changé : il est devenu encore plus facile pour moi de communiquer qu'avant de perdre la voix.

Je remercie tous ceux qui ont lu les premières versions du livre pour leurs suggestions sur la façon dont il pourrait être amélioré. Ainsi, Peter Gazzardi, rédacteur en chef de Bantam Books, m'a envoyé lettre après lettre avec des commentaires et des questions sur des points qui, à son avis, étaient mal expliqués. Certes, j'ai été assez ennuyé lorsque j'ai reçu une énorme liste de correctifs recommandés, mais Gazzardi avait absolument raison. Je suis sûr que le livre a été bien amélioré grâce au fait que Gazzardi m'a frotté le nez sur les erreurs.

Ma plus profonde gratitude va à mes assistants Colin Williams, David Thomas et Raymond Laflamme, à mes secrétaires Judy Fella, Ann Ralph, Cheryl Billington et Sue Macy, ainsi qu'à mes infirmières.

Je n’aurais rien pu réaliser si tous les coûts de la recherche scientifique et des soins médicaux nécessaires n’avaient pas été supportés par Gonville and Caius College, le Conseil de recherche scientifique et technologique et les fondations Leverhulme, MacArthur, Nuffield et Ralph Smith. Je leur suis très reconnaissant.

20 octobre 1987
Stephen Hawking

Chapitre premier
Notre idée de l'Univers

L’idée de l’Univers comme une tour sans fin de tortues semblera drôle à la plupart d’entre nous, mais pourquoi pensons-nous en savoir plus ? Que savons-nous de l’Univers et comment l’avons-nous connu ? D’où vient l’Univers et que va-t-il lui arriver ? L’Univers a-t-il eu un commencement, et si oui, que s’est-il passé ? avant le début? Quelle est l’essence du temps ? Est-ce que ça finira un jour ? Les progrès de la physique de ces dernières années, que nous devons dans une certaine mesure aux nouvelles technologies fantastiques, nous permettent d'obtenir enfin des réponses à au moins certaines de ces questions qui se posent depuis longtemps. Au fil du temps, ces réponses pourraient être aussi certaines que le fait que la Terre tourne autour du Soleil, et peut-être aussi ridicules qu'une tour de tortues. Seul le temps (quel qu’il soit) décidera.

Retour en 340 avant JC. e. Le philosophe grec Aristote, dans son livre « Sur les cieux », a donné deux arguments convaincants en faveur du fait que la Terre n'est pas plate, comme une assiette, mais ronde, comme une boule. Premièrement, Aristote a deviné que les éclipses lunaires se produisaient lorsque la Terre se trouvait entre la Lune et le Soleil. La Terre projette toujours une ombre ronde sur la Lune, et cela ne peut se produire que si la Terre est sphérique. Si la Terre était un disque plat, son ombre aurait la forme d’une ellipse allongée – à moins qu’une éclipse ne se produise toujours au moment précis où le Soleil se trouve exactement sur l’axe du disque. Deuxièmement, grâce à l'expérience de leurs voyages en mer, les Grecs savaient que dans les régions du sud, l'étoile polaire est plus basse dans le ciel que dans celles du nord. (Puisque l'étoile polaire est au-dessus du pôle Nord, elle sera directement au-dessus de la tête d'un observateur se tenant au pôle Nord, et pour une personne située à l'équateur, elle semblera être à l'horizon.) Connaître la différence entre les position apparente de l'étoile polaire en Egypte et en Grèce, Aristote a même pu calculer que la longueur de l'équateur est de 400 000 stades. On ne sait pas exactement à quoi correspondait le stade, mais il mesurait environ 200 mètres, et donc l'estimation d'Aristote est environ 2 fois la valeur aujourd'hui acceptée. Les Grecs avaient également un troisième argument en faveur de la forme sphérique de la Terre : si la Terre n'est pas ronde, alors pourquoi voit-on d'abord les voiles d'un navire s'élever au-dessus de l'horizon, et ensuite seulement le navire lui-même ?

Aristote croyait que la Terre était immobile et que le Soleil, la Lune, les planètes et les étoiles tournaient autour d'elle sur des orbites circulaires. Conformément à ses vues mystiques, il considérait la Terre comme le centre de l'Univers et le mouvement circulaire comme le plus parfait. Au IIe siècle, Ptolémée développa l'idée d'Aristote en un modèle cosmologique complet. La Terre se trouve au centre, entourée de huit sphères portant la Lune, le Soleil et les cinq planètes alors connues : Mercure, Vénus, Mars, Jupiter et Saturne (Fig. 1.1). Les planètes elles-mêmes, croyait Ptolémée, se déplaçaient selon des cercles plus petits reliés aux sphères correspondantes. Cela explique le chemin très complexe que nous voyons les planètes emprunter. Sur la toute dernière sphère se trouvent les étoiles fixes qui, restant dans la même position les unes par rapport aux autres, se déplacent ensemble dans le ciel comme un tout. Ce qui se trouvait au-delà de la dernière sphère n’était pas expliqué, mais de toute façon il ne faisait plus partie de l’Univers que l’humanité observe.

Riz. 1.1

Le modèle de Ptolémée permettait de prédire assez bien la position des corps célestes dans le ciel, mais pour une prédiction précise, il a dû accepter qu'à certains endroits la trajectoire de la Lune passe 2 fois plus près de la Terre qu'à d'autres. Cela signifie que dans une position, la Lune devrait apparaître 2 fois plus grande que dans une autre ! Ptolémée était conscient de cette lacune, mais sa théorie était néanmoins reconnue, mais pas partout. L'Église chrétienne a accepté le modèle ptolémaïque de l'Univers comme n'étant pas en contradiction avec la Bible : ce modèle était bon car il laissait beaucoup d'espace pour l'enfer et le paradis en dehors de la sphère des étoiles fixes. Cependant, en 1514, le prêtre polonais Nicolas Copernic proposa un modèle encore plus simple. (Au début, craignant peut-être que l'Église ne le déclare hérétique, Copernic a promu son modèle de manière anonyme.) Son idée était que le Soleil était immobile au centre et que la Terre et les autres planètes tournaient autour de lui sur des orbites circulaires. Près d’un siècle s’est écoulé avant que l’idée de Copernic ne soit prise au sérieux. Deux astronomes - l'Allemand Johannes Kepler et l'Italien Galileo Galilei - se sont prononcés en faveur de la théorie de Copernic, malgré le fait que les orbites prédites par Copernic ne correspondaient pas exactement à celles observées. La théorie d'Aristote-Ptolémée s'est révélée intenable en 1609, lorsque Galilée a commencé à observer le ciel nocturne à l'aide d'un télescope nouvellement inventé. En pointant son télescope vers la planète Jupiter, Galilée a découvert plusieurs petits satellites, ou lunes, en orbite autour de Jupiter. Cela signifiait que tous les corps célestes ne devaient pas nécessairement tourner directement autour de la Terre, comme le croyaient Aristote et Ptolémée. (Bien sûr, on pourrait toujours supposer que la Terre repose au centre de l'Univers et que les lunes de Jupiter se déplacent le long d'une trajectoire très complexe autour de la Terre, de sorte qu'elles semblent seulement orbiter autour de Jupiter. Cependant, la théorie de Copernic était beaucoup plus complexe. plus simple.) En même temps, Johannes Kepler modifiait la théorie de Copernic en se basant sur l'hypothèse que les planètes ne se déplacent pas en cercles, mais en ellipses (une ellipse est un cercle allongé). Enfin, les prédictions coïncidaient désormais avec les résultats des observations.

Quant à Kepler, ses orbites elliptiques étaient une hypothèse artificielle (ad hoc), et de surcroît « disgracieuse », puisqu’une ellipse est une figure bien moins parfaite qu’un cercle. Ayant découvert presque par hasard que les orbites elliptiques étaient en bon accord avec les observations, Kepler n'a jamais pu concilier ce fait avec son idée selon laquelle les planètes tournent autour du Soleil sous l'influence de forces magnétiques. L’explication est venue bien plus tard, en 1687, lorsqu’Isaac Newton a publié son livre « Principes mathématiques de philosophie naturelle ». Newton y propose non seulement une théorie du mouvement des corps matériels dans le temps et dans l'espace, mais développe également des méthodes mathématiques complexes nécessaires à l'analyse du mouvement des corps célestes. De plus, Newton a postulé la loi de la gravitation universelle, selon laquelle chaque corps de l'Univers est attiré vers tout autre corps avec une force d'autant plus grande que plus la masse de ces corps est grande et plus la distance entre eux est petite. C’est la même force qui fait tomber les corps au sol. (L'histoire selon laquelle Newton a été inspirée par une pomme tombant sur sa tête est presque certainement peu fiable. Newton lui-même a seulement dit que l'idée de la gravité lui est venue alors qu'il était assis dans une « humeur contemplative » et que « l'occasion était la chute ». d'une pomme".) Newton a en outre montré que, selon sa loi, la Lune, sous l'influence des forces gravitationnelles, se déplace sur une orbite elliptique autour de la Terre, et la Terre et les planètes tournent sur des orbites elliptiques autour du Soleil.

Le modèle copernicien a contribué à se débarrasser des sphères célestes ptolémaïques, et en même temps de l'idée selon laquelle l'Univers avait une sorte de frontière naturelle. Puisque les « étoiles fixes » ne changent pas de position dans le ciel, à l'exception de leur mouvement circulaire associé à la rotation de la Terre autour de son axe, il était naturel de supposer que les étoiles fixes sont des objets semblables à notre Soleil, mais bien plus. loin.

Newton a compris que, selon sa théorie de la gravité, les étoiles devraient être attirées les unes vers les autres et, semble-t-il, ne peuvent donc pas rester complètement immobiles. Ne devraient-ils pas tomber l'un sur l'autre, se rapprochant à un moment donné ? En 1691, dans une lettre à Richard Bentley, l’un des principaux penseurs de l’époque, Newton affirmait que cela se produirait effectivement si nous n’avions qu’un nombre fini d’étoiles dans une région finie de l’espace. Mais, pensait Newton, si le nombre d’étoiles est infini et qu’elles sont réparties plus ou moins uniformément sur un espace infini, alors cela n’arrivera jamais, puisqu’il n’y a pas de point central où elles devraient tomber.

Ces arguments illustrent à quel point il est facile d’avoir des ennuis lorsqu’on parle de l’infini. Dans un Univers infini, n'importe quel point peut être considéré comme le centre, car des deux côtés, le nombre d'étoiles est infini. Ce n'est que bien plus tard qu'ils se sont rendu compte qu'une approche plus correcte consistait à adopter un système fini dans lequel toutes les étoiles tombent les unes sur les autres, en tendant vers le centre, et à voir quels changements se produiraient si l'on ajoutait de plus en plus d'étoiles, réparties approximativement. uniformément en dehors de la région considérée. Selon la loi de Newton, les étoiles supplémentaires, en moyenne, n'affecteront en aucune façon les étoiles d'origine, c'est-à-dire que les étoiles tomberont à la même vitesse au centre de la zone sélectionnée. Peu importe le nombre d’étoiles que nous ajoutons, elles tendront toujours vers le centre. On sait aujourd’hui qu’un modèle statique infini de l’Univers est impossible si les forces gravitationnelles restent toujours des forces d’attraction mutuelle.

Il est intéressant de voir quel était l’état général de la pensée scientifique avant le début du XXe siècle : personne n’avait jamais pensé que l’Univers pouvait s’étendre ou se contracter. Tout le monde croyait que l'Univers soit avait toujours existé dans un état inchangé, soit avait été créé à un moment donné dans le passé, à peu près comme il l'est aujourd'hui. Cela peut s'expliquer en partie par la tendance des gens à croire aux vérités éternelles, mais aussi par l'attrait particulier de l'idée que, même s'ils vieillissent et meurent, l'Univers restera éternel et immuable.

Même les scientifiques qui ont réalisé que la théorie de la gravité de Newton rendait impossible un Univers statique n'ont pas pensé à l'hypothèse de l'Univers en expansion. Ils ont tenté de modifier la théorie en rendant la force gravitationnelle répulsive sur de très grandes distances. Cela n'a pratiquement pas modifié le mouvement prévu des planètes, mais a permis à la répartition infinie des étoiles de rester en équilibre, puisque l'attraction des étoiles proches était compensée par la répulsion des étoiles lointaines. Mais nous pensons désormais qu’un tel équilibre serait instable. En fait, si dans une certaine zone les étoiles se rapprochent un peu, alors les forces attractives entre elles augmenteront et deviendront supérieures aux forces répulsives, de sorte que les étoiles continueront à se rapprocher. Si la distance entre les étoiles augmente légèrement, les forces répulsives l'emporteront et la distance augmentera.

Une autre objection au modèle d’un univers statique infini est généralement attribuée au philosophe allemand Heinrich Olbers, qui a publié un ouvrage sur ce modèle en 1823. En fait, de nombreux contemporains de Newton travaillaient sur le même problème, et l'article d'Albers n'était même pas le premier à soulever de sérieuses objections. Elle fut la première à être largement citée. L’objection est la suivante : dans un Univers statique et infini, tout rayon de vision doit reposer sur une étoile. Mais alors le ciel, même la nuit, devrait briller comme le Soleil. Le contre-argument d'Olbers était que la lumière provenant d'étoiles lointaines devrait être atténuée par l'absorption dans la matière sur son passage. Mais dans ce cas, cette substance elle-même devrait chauffer et briller brillamment, comme les étoiles. La seule façon d’éviter de conclure que le ciel nocturne brille comme le Soleil est de supposer que les étoiles n’ont pas toujours brillé, mais se sont illuminées à un moment précis du passé. Il se peut alors que la substance absorbante n'ait pas encore eu le temps de se réchauffer ou que la lumière des étoiles lointaines ne nous soit pas encore parvenue. Mais la question se pose : pourquoi les étoiles se sont-elles allumées ?

Bien entendu, le problème de l’origine de l’Univers occupe l’esprit des gens depuis très longtemps. Selon un certain nombre de cosmogonies anciennes et de mythes judéo-chrétiens-musulmans, notre Univers est apparu à un moment précis et pas très lointain du passé. L’une des raisons de ces croyances était la nécessité de trouver la « cause première » de l’existence de l’Univers. Tout événement dans l'Univers s'explique en indiquant sa cause, c'est-à-dire un autre événement survenu plus tôt ; une telle explication de l'existence de l'Univers lui-même n'est possible que si elle a eu un commencement. Une autre base a été avancée par Augustin le Bienheureux dans son essai « De la Cité de Dieu ». Il a souligné que la civilisation progresse et que l'on se souvient de qui a commis tel ou tel acte et qui a inventé quoi. Par conséquent, il est peu probable que l’humanité, et donc probablement l’Univers, existera très longtemps. Augustin le Bienheureux considérait la date acceptable pour la création de l'Univers, correspondant au livre de la Genèse : environ 5000 avant JC. e. (Il est intéressant de noter que cette date n'est pas très éloignée de la fin de la dernière période glaciaire - 10 000 avant JC, que les archéologues considèrent comme le début de la civilisation.)

Aristote et la plupart des autres philosophes grecs n'aimaient pas l'idée de la création de l'Univers, car elle était associée à une intervention divine. Par conséquent, ils croyaient que les gens et le monde qui les entouraient existaient et existeraient pour toujours. Les scientifiques de l'Antiquité ont examiné l'argument concernant le progrès de la civilisation et ont décidé que des inondations et d'autres cataclysmes se produisaient périodiquement dans le monde, ce qui ramenait constamment l'humanité au point de départ de la civilisation.

La question de savoir si l’Univers est apparu à un moment donné dans le temps et s’il est limité dans l’espace a ensuite été examinée de très près par le philosophe Emmanuel Kant dans son ouvrage monumental (et très obscur) « Critique de la raison pure », publié dans 1781. Il appelait ces questions des antinomies (c'est-à-dire des contradictions) de la raison pure, parce qu'il voyait qu'il était également impossible de prouver ou de réfuter à la fois la thèse sur la nécessité du commencement de l'Univers et l'antithèse sur son existence éternelle. La thèse de Kant était soutenue par le fait que si l'Univers n'avait pas de commencement, alors chaque événement serait précédé d'une période de temps infinie, et Kant considérait cela comme absurde. À l'appui de l'antithèse, Kant a déclaré que si l'Univers avait eu un commencement, alors il aurait été précédé d'une période de temps infinie, et la question est alors de savoir pourquoi l'Univers est-il soudainement apparu à un moment donné et non à un autre. ? En fait, les arguments de Kant sont pratiquement les mêmes pour la thèse et l’antithèse. Cela découle de l’hypothèse tacite selon laquelle le temps est infini dans le passé, que l’univers ait existé ou non pour toujours. Comme nous le verrons ci-dessous, avant l’émergence de l’Univers, la notion de temps n’avait aucun sens. Cela a été souligné pour la première fois par saint Augustin. Lorsqu’on lui a demandé ce que Dieu faisait avant de créer l’univers, Augustin n’a jamais répondu que Dieu préparait l’enfer pour ceux qui posaient de telles questions. Non, il a dit que le temps est une propriété intégrale de l’Univers créé par Dieu et qu’il n’y avait donc pas de temps avant l’émergence de l’Univers.

À l’époque où la plupart des gens croyaient en un univers statique et immuable, la question de savoir s’il avait un commencement ou non était essentiellement une question de métaphysique et de théologie. Tous les phénomènes observables pourraient être expliqués soit par une théorie selon laquelle l’univers existait pour toujours, soit par une théorie selon laquelle l’univers aurait été créé à un moment donné de telle manière que tout semblait avoir existé pour toujours. Mais en 1929, Edwin Hubble a fait une découverte historique : il s'est avéré que quelle que soit la partie du ciel que l'on observe, toutes les galaxies lointaines s'éloignent rapidement de nous. En d’autres termes, l’Univers est en expansion. Cela signifie qu’autrefois, tous les objets étaient plus proches les uns des autres qu’ils ne le sont aujourd’hui. Cela signifie qu'il fut apparemment un temps, il y a environ dix ou vingt milliards d'années, où ils étaient tous au même endroit, de sorte que la densité de l'Univers était infiniment grande. La découverte de Hubble a amené la question de savoir comment l’Univers a commencé dans le domaine de la science.

Les observations de Hubble suggèrent qu'il fut un temps, appelé Big Bang, où l'Univers était infiniment petit et infiniment dense. Dans de telles conditions, toutes les lois de la science perdent leur sens et ne permettent pas de prédire l’avenir. Si des événements se sont produits à des époques encore antérieures, ils ne pourraient en aucun cas affecter ce qui se passe aujourd'hui. Faute de conséquences observables, elles peuvent tout simplement être négligées. Le Big Bang peut être considéré comme le début des temps dans le sens où les temps antérieurs ne seraient tout simplement pas définis. Soulignons qu'un tel point de départ pour le temps est très différent de tout ce qui était proposé avant Hubble. Le début des temps dans un Univers immuable est quelque chose qui doit être déterminé par quelque chose existant en dehors de l’Univers ; Il n’y a aucune nécessité physique pour le début de l’Univers. La création de l’Univers par Dieu peut être attribuée à n’importe quel moment du passé. Si l’Univers est en expansion, il peut y avoir des raisons physiques à son début. Vous pouvez encore imaginer que c'est Dieu qui a créé l'Univers - au moment du Big Bang ou même plus tard (mais comme si le Big Bang s'était produit). Cependant, il serait absurde de dire que l’Univers a existé avant le Big Bang. L’idée d’un Univers en expansion n’exclut pas le créateur, mais elle impose des restrictions sur la date éventuelle de son œuvre !

Afin de pouvoir parler de l'essence de l'Univers et de savoir s'il a eu un début et s'il y aura une fin, vous devez avoir une bonne compréhension de ce qu'est une théorie scientifique en général. J'adhérerai au point de vue le plus simple : une théorie est un modèle théorique de l'Univers ou d'une partie de celui-ci, complété par un ensemble de règles reliant les grandeurs théoriques à nos observations. Ce modèle n’existe que dans nos têtes et n’a pas d’autre réalité (quel que soit le sens qu’on donne à ce mot). Une théorie est considérée comme bonne si elle satisfait à deux exigences : premièrement, elle doit décrire avec précision une large classe d’observations au sein d’un modèle ne contenant que quelques éléments arbitraires, et deuxièmement, la théorie doit faire des prédictions bien définies sur les résultats des observations futures. Par exemple, la théorie d’Aristote selon laquelle tout était composé de quatre éléments – la terre, l’air, le feu et l’eau – était suffisamment simple pour être qualifiée de théorie, mais elle ne permettait aucune prédiction précise. La théorie de la gravitation de Newton procède d'un modèle encore plus simple, dans lequel les corps sont attirés les uns vers les autres avec une force proportionnelle à une certaine quantité appelée leur masse, et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare. Mais la théorie de Newton prédit très précisément le mouvement du Soleil, de la Lune et des planètes.

Toute théorie physique est toujours temporaire dans le sens où il ne s’agit que d’une hypothèse qui ne peut être prouvée. Peu importe le nombre de fois où la théorie concorde avec les données expérimentales, on ne peut pas être sûr que la prochaine fois l'expérience ne contredira pas la théorie. Dans le même temps, toute théorie peut être réfutée en se référant à une seule observation qui ne concorde pas avec ses prédictions. Comme l'a souligné le philosophe Karl Popper, spécialiste de la philosophie des sciences, une bonne théorie doit nécessairement avoir pour caractéristique de faire des prédictions qui peuvent, en principe, être falsifiées expérimentalement. Chaque fois que de nouvelles expériences confirment les prédictions d’une théorie, celle-ci démontre sa vitalité et notre foi en elle se renforce. Mais si ne serait-ce qu’une nouvelle observation ne concorde pas avec la théorie, nous devons soit l’abandonner, soit la refaire. C'est du moins la logique, même si, bien entendu, on a toujours le droit de douter de la compétence de celui qui a effectué les observations.

En pratique, il s’avère souvent qu’une nouvelle théorie est en réalité une extension de la précédente. Par exemple, des observations extrêmement précises de la planète Mercure ont révélé de légers écarts entre son mouvement et les prédictions de la théorie de la gravité de Newton. Selon la théorie de la relativité générale d'Einstein, Mercure devrait se déplacer légèrement différemment de la théorie de Newton. Le fait que les prédictions d'Einstein coïncidaient avec les résultats des observations, mais que les prédictions de Newton ne coïncidaient pas, est devenu l'une des confirmations décisives de la nouvelle théorie. Certes, dans la pratique, nous utilisons toujours la théorie de Newton, puisque dans les cas que nous rencontrons habituellement, ses prédictions diffèrent très peu des prédictions de la relativité générale. (La théorie de Newton présente également le grand avantage d’être beaucoup plus facile à utiliser que la théorie d’Einstein.)

Le but ultime de la science est de créer une théorie unifiée qui décrirait l’Univers tout entier. Lorsqu’ils résolvent ce problème, la plupart des scientifiques le divisent en deux parties. La première partie concerne les lois qui nous donnent l’opportunité de savoir comment l’Univers évolue au fil du temps. (Connaissant à quoi ressemble l’Univers à un moment donné, nous pouvons utiliser ces lois pour découvrir ce qui lui arrivera à un moment ultérieur.) La deuxième partie est le problème de l’état initial de l’Univers. Certains estiment que la science ne devrait s’occuper que de la première partie et se demandent ce qui était à l’origine une question de métaphysique et de religion. Les partisans de ce point de vue disent que puisque Dieu est tout-puissant, sa volonté était de « diriger » l’univers à sa guise. S’ils ont raison, alors Dieu a eu l’opportunité de faire en sorte que l’univers se développe de manière complètement aléatoire. Dieu préférait apparemment qu'il se développe très régulièrement, selon certaines lois. Mais il est tout aussi logique de supposer qu’il existe également des lois régissant l’état initial de l’Univers.

Il s'avère qu'il est très difficile de créer immédiatement une théorie qui décrirait l'Univers entier. Au lieu de cela, nous divisons le problème en parties et construisons des théories partielles. Chacun d'eux décrit une classe limitée d'observations et fait des prédictions à son sujet, en négligeant l'influence de toutes les autres quantités ou en représentant ces dernières comme de simples ensembles de nombres. Il est possible que cette approche soit complètement fausse. Si tout dans l’univers dépend fondamentalement de tout le reste, il est alors possible qu’en étudiant isolément certaines parties d’un problème, on ne puisse pas se rapprocher d’une solution complète. Néanmoins, dans le passé, nos progrès ont été de cette façon. Un exemple classique est encore une fois la théorie de la gravité de Newton, selon laquelle la force gravitationnelle agissant entre deux corps ne dépend que d'une caractéristique de chaque corps, à savoir sa masse, mais ne dépend pas de la substance dont sont constitués les corps. Par conséquent, pour calculer les orbites sur lesquelles se déplacent le Soleil et les planètes, une théorie de leur structure et de leur composition n’est pas nécessaire.

Il existe désormais deux principales théories partielles pour décrire l’Univers : la relativité générale et la mécanique quantique. Tous deux sont le résultat d’énormes efforts intellectuels des scientifiques de la première moitié du XXe siècle. La relativité générale décrit l'interaction gravitationnelle et la structure à grande échelle de l'Univers, c'est-à-dire une structure sur une échelle allant de quelques kilomètres à un million de millions de millions (un suivi de vingt-quatre zéros) kilomètres, ou jusqu'à la taille de l'Univers. partie observable de l'Univers. La mécanique quantique traite de phénomènes à des échelles extrêmement petites, comme un millionième de millionième de centimètre. Et ces deux théories sont malheureusement incompatibles : elles ne peuvent pas être correctes en même temps. L'un des principaux domaines de recherche en physique moderne et le thème principal de ce livre est la recherche d'une nouvelle théorie qui combinerait les deux précédentes en une seule : la théorie quantique de la gravité. Une telle théorie n’existe pas encore, et il faudra peut-être encore attendre longtemps, mais nous connaissons déjà de nombreuses propriétés qu’elle devrait avoir. Dans les chapitres suivants, vous verrez que nous en savons déjà beaucoup sur les prédictions qui devraient découler de la théorie quantique de la gravité.

Si vous croyez que l'Univers ne se développe pas de manière arbitraire, mais obéit à certaines lois, alors vous devrez finalement combiner toutes les théories partielles en une seule théorie complète qui décrira tout dans l'Univers. Il existe certes un paradoxe fondamental dans la recherche d’une telle théorie unifiée. Tout ce qui a été dit ci-dessus sur les théories scientifiques suppose que nous sommes des êtres intelligents, que nous pouvons faire n'importe quelle observation dans l'Univers et tirer des conclusions logiques basées sur ces observations. Dans un tel schéma, il est naturel de supposer qu’en principe, nous pourrions nous rapprocher encore plus de la compréhension des lois qui régissent notre Univers. Mais si une théorie unifiée existe réellement, elle devrait probablement aussi, d’une manière ou d’une autre, influencer nos actions. Et puis la théorie elle-même devrait déterminer le résultat de notre recherche ! Pourquoi devrait-elle prédéterminer à l’avance que nous tirerons les bonnes conclusions des observations ? Pourquoi ne devrait-elle pas tout aussi facilement nous conduire à de mauvaises conclusions ? Ou pas du tout ?

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Préface

1. Notre idée de l'Univers

Livre 1. « Une brève histoire du temps »

Livre 2. « La brève histoire du temps »

conclusions

Préface

Chapitre premier. Notre image de l'Univers

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Gratitude

Chapitre premier Notre idée de l'Univers

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Chapitre premier
Notre idée de l'Univers