Stephen W. Hawking

Une brève histoire du temps

Du Big Bang aux trous noirs

Champs sciences

Publié par Bantam Press, New York, 1988
Co Writers House, New York
© Éditions Flammarion, 1989, pour la traduction française
© Éditions Flammarion, 2017, pour cette édition

ISBN Epub : 9782081419391

ISBN PDF Web : 9782081419407

Le livre a été imprimé sous les références :

ISBN : 9782081404342

Ouvrage composé et converti par Pixellence (59100 Roubaix)

Présentation de l'éditeur

Stephen Hawking est universellement reconnu comme l’un des plus grands cosmologistes de notre époque et l’un des plus brillants physiciens depuis Einstein. Successeur de Newton, il occupe à l’université de Cambridge la chaire de mathématiques, et s’est rendu célèbre pour ses travaux sur les origines de l’Univers.

Une brève histoire du temps est le premier livre qu’il ait décidé d’écrire pour le non-spécialiste. Il y expose, dans un langage simple et accessible, les plus récents développements de l’astrophysique concernant la nature du temps et du monde. Retraçant les grandes théories du cosmos, de Galilée et Newton à Einstein et Poincaré, racontant les ultimes découvertes de l’espace, expliquant la nature des trous noirs, il propose ensuite de relever le plus grand défi de la science moderne : la recherche d’une théorie unitaire combinant et unifiant la relativité générale et la mécanique quantique.

On sait que Stephen Hawking lutte depuis plus de trente ans contre une maladie neurologique très grave. On n’en trouvera que plus fascinant cet extraordinaire effort d’un esprit scientifique pour parvenir à une compréhension ultime des secrets de l’Univers.

DU MÊME AUTEUR

Commencement du temps et fin de la physique ?, Flammarion, 1992 ; « Champs », 1994 ; 2011.

Qui êtes-vous Mister Hawking ? (dir., avec la collaboration de Gene Stone), Odile Jacob, 1994.

Trous noirs et bébés Univers, Odile Jacob, 1994 ; 1995 ; 2000.

La Nature de l'espace et du temps (avec Roger Penrose), Gallimard, 1997 ; 2003.

L'Univers dans une coquille de noix, Odile Jacob, 2001 ; 2009.

Une belle histoire du temps, Flammarion, 2005 ; « Champs », 2009.

Georges et les secrets de l'Univers (avec Lucy Hawking), Pocket Jeunesse, 2007.

Petite histoire de l'Univers, City, 2008 ; 2012 ; Flammarion, 2014.

Y a-t-il un grand architecte dans l'Univers ?, Odile Jacob, 2013 ; 2014.

La Brève Histoire de ma vie, Flammarion, 2013 ; J'ai lu, 2014.

Dernières nouvelles des trous noirs, Flammarion, 2016.

Une brève histoire du temps

Du Big Bang aux trous noirs

Je dédie ce livre à Jane.

Six questions à
Christophe Galfard

Comment avez-vous découvert Une brève histoire du temps ? Quels souvenirs avez-vous de votre première lecture ?

Je l'ai lu à sa sortie, à la fin des années 1980 : je devais avoir aux alentours de treize ans, et cette lecture a été pour moi un vrai choc. Ce fut une révélation intellectuelle que d'avoir soudain accès à une nouvelle connaissance de la réalité. Je parle de la réalité qui nous entoure, qui nous dépasse, et dont nous sommes faits.

« Pour l’adolescent attiré par la philosophie que j’étais, cela m’a fait l’effet d’une décharge électrique. »

Ces mots relativement simples me faisaient rêver et voyager dans des théories formées par les esprits les plus brillants de la planète – des humanistes qui, par curiosité, par volonté de comprendre, tentaient depuis des siècles de déchiffrer ce grand questionnement qu'est notre existence… Pour l'adolescent attiré par la philosophie que j'étais, cela m'a fait l'effet d'une décharge électrique. L'Univers, les étoiles et planètes m'intéressaient déjà, comme beaucoup d'enfants, mais Une brève histoire du temps a été le déclic qui m'a fait me dire : « Je veux faire ça plus tard. »

Quelque temps après la sortie de ce livre, le génial réalisateur de documentaires américain Errol Morris a adapté Une brève histoire du temps sur grand écran, et je me souviens particulièrement d'une scène. Une tasse de thé tombait sur un carrelage à damier noir et blanc et explosait en morceaux, avant de se recomposer et de remonter sur la table. Il était dit, alors, que ce phénomène a priori impossible pouvait se produire dans le domaine de la physique quantique. On touchait là, comme dans le livre, à ce qui semblait réservé au monde des rêves : inverser le cours du temps, jouer par l'esprit avec l'ordre établi et immuable des choses. Quoi de plus normal, dès lors, que de vouloir participer à ces recherches !

Mais vous étiez déjà un adolescent curieux des sciences : comment expliquez-vous que cette œuvre ait eu une portée si universelle ?

Lorsque le livre est paru, il existait bien évidemment déjà des œuvres de vulgarisation scientifique – comme celles de Camille Flammarion, au début du siècle, ou de Carl Sagan (qui a écrit la préface d'Une belle histoire du temps et dont les livres ont bercé mon enfance), mais les méthodes étaient différentes. Carl Sagan, par exemple, devenait poète en nous décrivant les étoiles. Stephen Hawking, lui, est poète des équations, de la beauté de la pensée elle-même : son texte transmet une joie de la réflexion, de la découverte, ainsi que le ravissement de faire partie de notre espèce, l'espèce humaine, qui a la capacité de découvrir des lois dans la nature, de comprendre ce que l'on ne voyait pas.

« Cette œuvre a fait tomber une sorte de barrière qui séparait le savoir académique et celui du grand public. »

L'autre raison pour laquelle cette œuvre est exceptionnelle se situe a posteriori, dans son nombre de lecteurs : plus de dix millions de personnes ont soudain eu accès à la physique théorique. Cette œuvre a fait tomber une sorte de barrière qui séparait le savoir académique et celui du grand public. Bien sûr, il y a aussi eu un phénomène de mode, mais pour autant, des millions de bibliothèques dans le monde contiennent aujourd'hui ce livre écrit dans les années 1980…

Justement, qu'est-ce qui fait qu'un texte scientifique des années 1980 n'est pas dépassé ?

Beaucoup de scientifiques ont écrit après ce livre, peut-être en partie en raison de son succès commercial – mais je ne considère pas que ce soit en conflit avec la diffusion du savoir, bien au contraire ! – et il est vrai que beaucoup de découvertes majeures ont été faites depuis. Néanmoins, vous avez dans cette œuvre les bases de tous les questionnements de la physique actuelle : bien sûr, il y a eu des avancées et de nouveaux mystères sont apparus, mais loin de rendre le livre de Stephen Hawking obsolète, ces avancées sont venues alimenter la réflexion qu'il engageait.

« On peut voir ce livre comme une introduction à la physique moderne, écrite par un visionnaire et un acteur principal de la discipline. »

Et qui plus est, les fondements théoriques qui sont à la base de ce qui se fait aujourd'hui sont toujours les mêmes. On peut de nos jours voir ce livre comme une introduction à la physique moderne, écrite par un visionnaire et un acteur principal de la discipline. Il s'agit d'une pensée qui mêle science, poésie et philosophie, et aborde tout ce qui fait rêver, que ce soit les trous noirs, l'origine de notre Univers, ou encore son destin… Il y a par exemple, au chapitre 9, toutes ces questions sur ce qu'on appelle la flèche du temps (à savoir, pourquoi le temps s'écoule du passé vers le futur, inlassablement), qui irriguent toujours la physique théorique moderne, car non résolues aujourd'hui encore et toujours aussi fascinantes.

Y a-t-il une idée qui vous tienne tout particulièrement à cœur ?

Le premier chapitre est absolument extraordinaire. Il se lit comme un roman : on a envie de connaître la suite, et on est encouragé dans notre excitation intellectuelle par l'écriture pleine d'humour de Stephen Hawking, qui nous prend par la main, fait démarrer l'Univers sur le dos d'une tortue et nous emmène ensuite dans une réflexion plus profonde. Je crois que le succès de ce livre tient en grande partie à ce premier chapitre.

« Il ne s’agit pas d’un professeur qui explique à des ignorants, mais d’un camarade humain qui nous raconte une histoire »

Les chapitres suivants sont plus difficiles, on ne peut pas le nier. Mais je ne pense pas que ce soit un obstacle : on ne peut pas penser résumer cinq mille ans de réflexion en une centaine de pages ! D'ailleurs, à ma connaissance, c'est l'un des premiers livres de physique théorique moderne dans lequel les lecteurs ne sont pas pris pour des idiots, ce qui, je pense, est à la fois très intéressant et très positif : il ne s'agit pas d'un professeur qui explique à des ignorants, mais d'un camarade humain qui nous raconte une histoire, histoire qu'il a lui-même aidé à écrire.

Stephen Hawking a été votre directeur de thèse. Quelle influence a-t-il eu sur votre travail, votre façon d'écrire la science ?

Pour être franc, il m'a tout appris, et m'a donné envie de faire ce pas. Une carrière de chercheur s'ouvrait devant moi mais, au fil des années, j'ai compris l'importance de ce partage, et je me suis orienté vers la voie de la transmission plutôt que vers celle de la recherche.

« Je tâche de garder en tête sa volonté de transmission, de partager la joie de la connaissance »

Je tâche de garder en tête sa volonté de transmission, de partager la joie de la connaissance, de considérer les lecteurs comme des collègues qui parcourent l'Univers tout comme moi, sur une petite planète qu'il s'agit de protéger et de comprendre. Bien sûr, j'y ajoute mes propres réflexions, mais une des choses que l'on apprend en le côtoyant est la nécessité de réfléchir par soi-même : j'essaie donc de transmettre à mon tour ce savoir, en encourageant les lecteurs à réfléchir par eux-mêmes, à se faire leurs propres idées, à ne pas se laisser berner par ceux qui utilisent adroitement un jargon scientifique pour raconter n'importe quoi.

Que diriez-vous à un lecteur qui découvrirait aujourd'hui ce livre pour la première fois ?

Que ce livre est incontournable. On peut être intimidé par la physique théorique, tout comme on peut avoir peur de lire des grands classiques, mais si ces œuvres ont traversé des décennies, voire des siècles, c'est qu'elles atteignent quelque chose qui va au-delà de leur époque.

« Ce livre va au-delà de la science »

Les textes qui ont une telle destinée touchent à une forme d'universalité difficile à décrire : que ce livre de science soit encore édité et réédité trente ans après sa publication est exceptionnel. Ce livre va au-delà de la science, ou plutôt, il exprime l'essence proprement humaine de cette splendide discipline qu'est la science.

Christophe GALFARD,
Physicien, écrivain.

Introduction

Nous menons notre vie quotidienne sans presque rien comprendre au monde qui est le nôtre. Nous accordons peu de pensées à la machinerie qui engendre la lumière du Soleil, rendant ainsi la vie possible, à la gravité qui nous colle à une Terre qui, autrement, nous enverrait tournoyer dans l'espace, ou aux atomes dont nous sommes faits et dont la stabilité assure notre existence. À l'exception des enfants (qui n'en savent pas assez long pour poser les questions importantes), peu d'entre nous passent beaucoup de temps à se demander pourquoi la nature est telle qu'elle est ; d'où vient le cosmos ou s'il a toujours été là ; si le temps fera un jour machine arrière et si les effets précéderont les causes ou s'il y a des limites extrêmes à la connaissance humaine. Il y a même des enfants, et j'en ai rencontré, qui veulent savoir à quoi ressemble un trou noir, quelle est la plus petite parcelle de matière ; pourquoi nous nous souvenons du passé et non du futur ; comment il se fait, s'il y avait un chaos au début, qu'il y ait apparemment de l'ordre aujourd'hui ; et pourquoi il y a un univers.

Dans notre société, parents et professeurs répondent couramment à de telles questions en haussant les épaules ou en faisant référence à quelque précepte religieux vaguement rapporté. Ils se sentent mal à l'aise sur de tels sujets, parce qu'ils soulignent clairement les limites de la connaissance humaine.

Mais bien de la philosophie et bien de la science sont issues de telles questions. Un nombre croissant d'adultes les posent de plus en plus volontiers et recueillent à l'occasion quelques réponses ahurissantes. À mi-chemin des atomes et des étoiles, nous étendons l'horizon de nos explorations pour embrasser à la fois l'infiniment petit et l'infiniment grand.

Au printemps 1974, environ deux ans avant que la sonde spatiale Viking ne se pose sur Mars, j'assistai à un meeting en Angleterre, organisé par la Royal Society de Londres, consacré à la question de la vie extra-terrestre. Pendant la pause-café, je remarquai qu'une réunion beaucoup plus nombreuse se tenait dans une salle voisine, où ma curiosité me fit entrer. Je compris bientôt que j'étais témoin d'un rite ancien, l'investiture de nouveaux membres de la Royal Society, l'une des plus anciennes organisations savantes de la planète. Au premier rang, un jeune homme sur une chaise roulante était en train, avec lenteur, d'inscrire son nom sur un livre qui portait sur ses premières pages la signature d'Isaac Newton. Quand enfin il eut terminé, il y eut une ovation émouvante. Stephen Hawking était déjà une légende.

Hawking est maintenant « Lucasian Professor of Mathematics » à l'université de Cambridge, poste jadis occupé par Newton et, plus tard, par P. A. M. Dirac, deux célèbres explorateurs de l'infiniment grand et de l'infiniment petit. Il est leur digne successeur. Ainsi, le premier ouvrage de Hawking pour le non-spécialiste est plein de récompenses de toutes sortes pour le simple public. Il fournit des lueurs sur le travail intellectuel de son auteur, aussi passionnantes que son multiple contenu. Il fourmille de révélations brillantes sur les limites de la physique, de l'astronomie, de la cosmologie, et du courage.

C'est aussi un livre sur Dieu… ou peut-être sur l'absence de Dieu. Le mot Dieu emplit ces pages. Hawking s'embarque dans une recherche pour répondre à la fameuse question d'Einstein se demandant si Dieu avait le choix en créant l'Univers. Hawking essaie, et il le dit explicitement, de comprendre la pensée de Dieu. Et cela rend encore plus inattendue la conclusion de cet effort, au moins jusqu'à présent : un univers sans limites dans l'espace, sans commencement ou fin dans le temps, et rien à faire pour le Créateur.

Carl Sagan
Cornell University
Ithaca, New York

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Notre vision de l'Univers

Un savant célèbre (certains avancent le nom de Bertrand Russell) donna un jour une conférence sur l'astronomie. Il décrivit comment la Terre tournait autour du Soleil et de quelle manière le Soleil, dans sa course, tournait autour du centre d'un immense rassemblement d'étoiles que l'on appelle notre Galaxie. À la fin, une vieille dame au fond de la salle se leva et dit : « Tout ce que vous venez de raconter, ce sont des histoires. En réalité, le monde est plat et posé sur le dos d'une tortue géante. » Le scientifique eut un sourire hautain avant de rétorquer : « Et sur quoi se tient la tortue ? — Vous êtes très perspicace, jeune homme, vraiment très perspicace, répondit la vieille dame. Mais sur une autre tortue, jusqu'en bas ! »

La plupart d'entre nous pourraient trouver plutôt ridicule de considérer que notre Univers est comme une tour sans fin, faite de tortues empilées les unes sur les autres, mais pourquoi ce que nous savons vaudrait-il mieux que cela ? D'où vient l'Univers et où va-t-il ? A-t-il eu un commencement, et si oui, qu'y avait-il avant ? Quelle est la nature du temps ? Aura-t-il une fin ? Tout récemment, d'importantes découvertes en physique, dues en partie aux nouvelles technologies et à leurs possibilités fantastiques, suggèrent des réponses à quelques-unes de ces questions de fond. Un jour viendra où ces réponses à leur tour nous sembleront aussi évidentes que le fait que la Terre tourne autour du Soleil, ou peut-être aussi ridicules que la tour de tortues. Seul le temps (quoi qu'il puisse être) nous le dira.

Dès 340 avant Jésus-Christ, le philosophe grec Aristote avança – dans son ouvrage Du ciel – deux solides arguments en faveur d'une Terre sphérique plutôt que plate. Tout d'abord, il avait compris que les éclipses de Lune étaient dues au fait que la Terre passait entre le Soleil et la Lune. L'ombre projetée sur la Lune était toujours ronde, ce qui ne pouvait être le cas que si notre planète était sphérique. Si elle avait eu la forme d'un disque plat, son ombre aurait été allongée et elliptique, à moins que le phénomène d'éclipse n'intervienne jamais qu'au moment où le Soleil se trouve exactement derrière le centre du disque. De plus, les pérégrinations des Grecs leur avaient appris que l'Étoile polaire apparaissait plus bas sur l'horizon dans les régions du Sud que dans le Nord. (Étant donné que l'Étoile polaire est à l'aplomb du pôle Nord, un observateur au pôle la verra juste au-dessus de sa tête, alors qu'à l'équateur, il la verra briller juste au-dessus de l'horizon.) D'après la différence des positions apparentes qu'occupait l'Étoile polaire en Égypte et en Grèce, Aristote avait déjà calculé approximativement que la circonférence de la Terre devait être de quatre cent mille stades. On ne sait pas exactement quelle était la longueur d'un de ces stades, mais il est probable que cela devait équivaloir environ à deux cents mètres, ce qui donne pour l'estimation aristotélicienne une valeur deux fois plus grande que celle que nous admettons couramment. Les Grecs disposaient même d'un troisième argument en faveur de la rotondité de la Terre : comment expliquer autrement le fait qu'à l'horizon ce soient d'abord les voiles d'un navire qui apparaissent, avant sa coque ?

Aristote pensait que la Terre était immobile et que le Soleil, la Lune, les planètes et les étoiles tournaient selon un mouvement circulaire autour d'elle. Il pensait cela parce qu'il estimait, pour des raisons mystiques, que la Terre était le centre de l'Univers et que le mouvement circulaire représentait la perfection. Développant cette idée au IIe siècle avant Jésus-Christ, Ptolémée aboutit à un système cosmologique achevé. La Terre occupait la position centrale, entourée de huit sphères qui portaient respectivement la Lune, le Soleil, les étoiles et les cinq planètes connues à l'époque, Mercure, Vénus, Mars, Jupiter et Saturne. Les planètes elles-mêmes décrivaient de petits cercles sur leurs sphères respectives, cela pour rendre compte des trajectoires planétaires assez complexes que l'on observait dans le ciel. La sphère la plus extérieure portait les étoiles fixes, qui conservaient la même position les unes par rapport aux autres, mais qui tournaient en bloc. Ce qu'il y avait au-delà de cette dernière sphère, on ne le savait pas très bien mais en tout cas, ce n'était certainement pas à la portée de l'humanité.

Le modèle de Ptolémée fournissait un système relativement sûr pour prédire la position des corps célestes dans le ciel. Mais pour que ses prédictions collent aux observations, Ptolémée avait dû avancer l'hypothèse que la Lune suivait une trajectoire qui l'amenait parfois deux fois plus près de la Terre qu'à d'autres moments. Cela impliquait qu'elle aurait dû alors nous apparaître deux fois plus grosse que d'habitude ! Ptolémée était conscient de ce défaut mais son système n'en fut pas moins généralement, si ce n'est universellement, adopté. L'Église chrétienne y trouva une vision de l'Univers en accord avec les Saintes Écritures, et qui avait le gros avantage de laisser de la place au-delà de la sphère des fixes pour le Paradis et l'Enfer.

Cependant, un système plus simple fut proposé en 1514 par un prêtre polonais, Nicolas Copernic. (Tout d'abord, par peur d'être accusé d'hérésie et brûlé par son Église, celui-ci publia sa conception sous le couvert de l'anonymat.) D'après lui, le Soleil était immobile au centre de l'Univers et les planètes décrivaient des orbites circulaires autour de notre étoile. Presque un siècle s'écoula avant que cette hypothèse ne soit prise au sérieux. Puis, deux astronomes – l'un allemand, Johannes Kepler, et l'autre italien, Galilée – commencèrent à défendre publiquement la théorie de Copernic, en dépit du fait que les orbites qu'elle prédisait ne coïncidaient pas exactement avec les observations. Le coup fatal à la théorie d'Aristote/Ptolémée survint en 1609. Cette année-là, Galilée se mit à observer le ciel nocturne avec la lunette, qui venait tout juste d'être inventée. En regardant ainsi Jupiter, il découvrit que cette planète était accompagnée de plusieurs petits satellites (ou lunes) qui tournaient autour d'elle. Cela laissait supposer que tout ne devait pas tourner obligatoirement autour de la Terre elle-même, comme Aristote et Ptolémée l'entendaient. (Bien sûr, il était encore possible de croire que la Terre était immobile au centre de l'Univers et que les lunes de Jupiter décrivaient des trajectoires extrêmement compliquées autour de la Terre, donnant l'illusion de tourner autour de Jupiter. Cependant, la conception de Copernic était bien plus simple). À cette même époque, Johannes Kepler modifia la théorie du prêtre polonais, en suggérant que les planètes décrivent non plus des cercles mais des ellipses (une ellipse est un cercle allongé). Les prédictions correspondirent enfin aux observations.

Pour Kepler, les orbites elliptiques n'étaient qu'une hypothèse ad hoc, et même plutôt désagréable, car ces figures étaient manifestement moins parfaites que des cercles. Ayant découvert presque accidentellement que les orbites elliptiques rendaient bien compte des observations, Kepler ne pouvait les accorder avec son idée selon laquelle les planètes tournaient autour du Soleil en raison des forces magnétiques. L'explication fut fournie seulement beaucoup plus tard, en 1687, lorsque Newton publia ses Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, probablement le travail le plus important jamais effectué en physique par un homme seul. Dans cet ouvrage, Newton échafaudait non seulement la théorie expliquant comment les corps se mouvaient dans l'espace et dans le temps, mais il y développait aussi les mathématiques complexes nécessaires à l'analyse de ces mouvements. De plus, le savant anglais proposait la loi de la gravitation universelle selon laquelle tout corps dans l'Univers est attiré par tout autre corps selon une force d'autant plus grande que les corps sont plus massifs et plus proches ; force qui fait que les objets tombent sur le sol. (L'histoire selon laquelle Newton fut mis sur la voie de cette découverte par une pomme qui lui serait tombée sur la tête est très certainement apocryphe. Tout ce que Newton a jamais dit à ce sujet est qu'il eut l'idée de la gravitation alors qu'il était assis « dans une attitude contemplative » et « qu'elle avait été occasionnée par la chute d'une pomme ».) Newton continuait en montrant que c'était bien la gravitation qui était responsable du mouvement elliptique de la Lune autour de la Terre, tout comme elle était également responsable des trajectoires elliptiques de la Terre et des planètes autour du Soleil.

Le modèle copernicien se débarrassait donc des sphères célestes de Ptolémée, et avec elles, de l'idée que l'Univers avait une frontière naturelle. Étant donné que les « étoiles fixes » ne semblaient pas changer de position – excepté leur mouvement d'ensemble dans le ciel dû à la rotation de la Terre autour de son axe –, il devenait tout naturel de supposer qu'elles étaient des objets semblables à notre Soleil, mais beaucoup plus éloignés.

Newton avait compris que, selon sa théorie de la gravitation, les étoiles devaient s'attirer entre elles, et que, apparemment, elles ne pouvaient fondamentalement pas rester au repos. Ne tomberaient-elles pas toutes en un point ? Dans une lettre de 1691 adressée à Richard Bentley, autre penseur de premier plan de cette époque, Newton affirma que ce serait certainement le cas si les étoiles en nombre fini étaient distribuées dans une région finie de l'Univers. Mais il avait calculé que si, au contraire, elles étaient en nombre infini, distribuées plus ou moins uniformément dans un espace infini, cela n'arriverait pas, car il n'existerait aucun point central vers lequel elles pourraient alors tomber.

Cela est un exemple des pièges que l'on rencontre à propos de l'infini. Dans un univers infini, chaque point peut être considéré comme un centre parce que chacun compte un nombre infini d'étoiles autour de lui. L'approche correcte – qui ne fut effectuée que beaucoup plus tard – consiste à prendre en compte la situation finie, dans laquelle les étoiles tombent toutes les unes sur les autres, et à se demander comment les choses évolueraient si l'on en prenait d'autres en compte, distribuées à peu près uniformément en dehors de cette région. D'après la loi de Newton, les étoiles supplémentaires ne devraient pas causer la moindre différence en moyenne, et toutes devraient tomber tout aussi vite. Ajoutons autant d'étoiles que nous voulons, elles s'effondreront toujours sur elles-mêmes. Nous savons aujourd'hui qu'il est impossible d'avoir un modèle statique d'Univers infini dans lequel la gravitation soit toujours attractive.

Il est intéressant de remarquer que, dans le climat général de pensée précédant le XXe siècle, personne n'a suggéré que l'Univers pourrait se dilater ou se contracter. Il était généralement admis ou bien que l'Univers existait depuis toujours dans un état inchangé, ou bien qu'il avait été créé à un instant précis du passé, plus ou moins semblable à ce qu'on observait aujourd'hui. Cela pouvait être dû en partie à la tendance humaine à croire en des vérités éternelles, aussi bien qu'au réconfort que l'homme trouvait à penser que, malgré le fait que les années s'envolaient et qu'il mourrait, l'Univers, lui, restait éternel et identique à lui-même.

Même ceux qui avaient compris que la théorie newtonienne de la gravitation démontrait que l'Univers ne pouvait pas être statique ne pensèrent pas à suggérer une expansion. À la place, ils entreprirent de modifier la théorie en rendant répulsive à grande distance la force gravitationnelle. Cela ne modifiait pas de façon significative leurs prédictions des mouvements des planètes, mais autorisait une distribution infinie d'étoiles à rester en équilibre stable – les forces attractives s'exerçant entre étoiles proches étant contrebalancées par les forces répulsives dues aux étoiles plus lointaines. Cependant, on sait aujourd'hui qu'un tel équilibre serait instable : si les étoiles d'une région quelconque venaient à se rapprocher un tant soit peu les unes des autres, les forces qui les attirent croîtraient jusqu'à prendre le pas sur les forces répulsives, de telle sorte que les étoiles continueraient à tomber les unes sur les autres. D'un autre côté, si les étoiles venaient à s'éloigner légèrement les unes des autres, les forces répulsives se mettraient à dominer et les écarteraient encore plus.

Généralement, on attribue au philosophe allemand Heinrich Olbers – qui traita de cette théorie en 1823 – une autre objection à un Univers infini statique. En fait, plusieurs contemporains de Newton avaient déjà soulevé le problème et l'article d'Olbers ne fut pas le premier à présenter des arguments plausibles à son encontre. Toutefois, il fut le premier à être largement remarqué. La difficulté venait du fait que dans un univers infini statique, pratiquement toutes les lignes de visée devraient aboutir à la surface d'une étoile. Aussi devrait-on s'attendre à ce que tout le ciel soit aussi brillant que le Soleil, même la nuit. Le contre-argument d'Olbers était que la lumière des étoiles lointaines devait être affaiblie par de la matière interposée qui l'aurait absorbée. Cependant, si c'était le cas, cette matière aurait dû se réchauffer à la longue, jusqu'à rayonner aussi brillamment que les étoiles. La seule façon d'éviter la conclusion que l'ensemble du ciel nocturne devrait être aussi brillant que la surface du Soleil était alors d'admettre que les étoiles ne brillaient pas depuis toujours mais qu'elles s'étaient bel et bien allumées à un moment donné dans le passé. Alors, la matière interposée aurait pu ne pas avoir été suffisamment chauffée, ou la lumière des étoiles lointaines n'avoir pas encore eu le temps de nous atteindre. Et cela nous amène à la question de savoir ce qui aurait provoqué l'allumage initial des étoiles.

La naissance de l'Univers avait, bien sûr, déjà fait l'objet de discussions antérieures. Pour nombre de cosmologies anciennes et selon la tradition juive, chrétienne et musulmane, l'Univers est né à un instant donné, dans un passé pas très éloigné. En faveur d'une telle naissance, il y a le sentiment qu'il est nécessaire d'avoir une « Cause Première » pour expliquer son existence. (À l'intérieur de l'Univers, vous pouvez toujours expliquer un événement en tant que conséquence d'un événement antérieur, mais l'existence de l'Univers lui-même ne peut s'expliquer de cette façon que s'il a un commencement.) Un autre argument, avancé par saint Augustin dans son ouvrage La Cité de Dieu, fait remarquer que la civilisation avance et que nous nous souvenons de celui qui accomplit tel haut fait ou développe telle technique. Ainsi l'homme, et de la même manière peut-être aussi l'Univers, n'auraient-ils pu exister depuis beaucoup plus longtemps. Saint Augustin admet la date d'environ 5 000 ans avant Jésus-Christ pour la création de l'Univers, date donnée par la Genèse. (Il est intéressant de noter que cela n'est pas si loin de la dernière glaciation qui se termina vers – 10 000 avant Jésus-Christ, date que les archéologues avancent comme véritable point de départ de notre civilisation.)

Aristote, comme la plupart des philosophes grecs, n'aimait pas l'idée de création car elle présentait un arrière-goût d'intervention divine. Il croyait par conséquent que la race humaine et le monde qui l'entoure existaient et existeraient à jamais. Les Anciens reconnaissaient déjà la valeur de l'argument du progrès mentionné plus haut et ils y répondaient en professant que déluges et autres catastrophes ramenaient périodiquement à chaque fois la race humaine sur la ligne de départ.

Les questions relatives à la naissance de l'Univers dans le temps et à sa limite dans l'espace furent par la suite largement étudiées par le philosophe Emmanuel Kant dans son monumental (et très obscur) ouvrage, Critique de la raison pure, publié en 1781. Kant baptisa ces questions « antinomies » (c'est-à-dire : contradictions) de la raison pure parce qu'il estimait qu'il existait autant d'arguments – irréfutables – en faveur de la thèse d'un Univers ayant commencé un jour que de son antithèse, un Univers ayant existé depuis toujours. Son argument en faveur de la thèse était que si l'Univers n'avait pas eu de commencement, il aurait dû y avoir une période infinie de temps avant tout événement, ce qu'il considérait comme absurde ; en faveur de l'antithèse, il pensait que si l'Univers avait eu un commencement, il y aurait eu une période infinie de temps avant ce début, alors pourquoi serait-il né à tel instant donné ? En fait, thèse et antithèse sont exactement la même chose. Elles sont toutes deux fondées sur l'hypothèse kantienne non formulée d'un temps qui remonte indéfiniment dans le passé, que l'Univers ait existé depuis toujours ou non. Comme nous le verrons, le concept de temps n'a aucun sens avant la naissancede l'Univers. Cela fut pour la première fois remarqué par saint Augustin. À la question : « Que fit Dieu avant de créer l'Univers ? » il ne répondait pas : « Il préparait l'Enfer pour ceux qui posent de telles questions. » Il préférait dire que le temps était une propriété de l'Univers que Dieu avait créé, et que le temps n'existait pas avant.

Lorsque les gens croyaient en un Univers fondamentalement statique et sans changement, la question de savoir s'il était né ou non n'intéressait que les métaphysiciens ou les théologiens. On pouvait rendre compte des observations aussi bien en penchant pour un Univers ayant toujours existé qu'en soutenant la théorie d'un Univers mis en mouvement à un instant donné et de telle sorte qu'il paraisse avoir toujours existé. Mais en 1929, Edwin Hubble fit une observation cruciale : où que nous regardions, les galaxies lointaines s'éloignent de nous à toute vitesse. Cela signifie qu'en des temps plus anciens, les objets avaient été plus proches les uns des autres. En fait, il semble qu'il y ait eu un moment, il y a dix ou vingt milliards d'années, où tous ces objets étaient exactement à la même place et où, par conséquent, la densité de l'Univers était infinie. Cette découverte amenait enfin la question de la naissance de l'Univers devant la Science.

Les observations de Hubble sous-entendaient qu'il y avait eu un moment, baptisé le « Big Bang », où l'Univers avait été infiniment petit et infiniment dense. Dans de telles conditions, toutes les lois de la physique, et par conséquent leur capacité à prévoir le futur, s'effondraient. Si des événements antérieurs à ce moment avaient jamais existé, ils ne pourraient affecter ce qui arrive dans notre temps. Leur existence peut donc être ignorée parce qu'ils n'auront aucune conséquence observationnelle. On peut dire que le temps a commencé au Big Bang, au sens où des temps antérieurs ne seront tout simplement pas définis. Insistons sur le fait que ce commencement dans le temps est très différent de ceux qui ont été examinés auparavant. Dans un univers sans changement, le commencement dans le temps est quelque chose qui doit être imposé par un être situé hors de l'Univers ; il n'y a aucune nécessité physique pour un tel début. On peut imaginer que Dieu a créé l'Univers littéralement à n'importe quel instant dans le passé. D'un autre côté, si l'Univers est en expansion, il peut y avoir des raisons physiques à sa naissance. On peut encore imaginer que Dieu a créé l'Univers à l'instant du Big Bang, ou même après, de façon qu'il ressemble à ce qu'il aurait dû être s'il y en avait eu un ; mais ce serait un non-sens de supposer qu'il l'ait créé avant. Un univers en expansion n'exclut pas la possibilité d'un créateur mais il définit l'instant où ce dernier aurait pu accomplir son œuvre !

Pour discuter de la nature de l'Univers et examiner des questions telles que son commencement ou sa fin, il nous faut bien comprendre ce qu'est une théorie scientifique. Considérons l'opinion naïve selon laquelle une théorie est un modèle d'Univers (ou d'une partie limitée de l'Univers) et un ensemble de règles mettant en relation des quantités issues du modèle et des observations. Elle n'existe que dans notre esprit et ne peut avoir d'autre réalité (quelle qu'en soit la signification). Une théorie sera valable si elle satisfait aux deux conditions suivantes : décrire avec exactitude une vaste catégorie d'observations sur la base d'un modèle qui ne contient que quelques éléments arbitraires, et faire des prédictions précises concernant les résultats d'observations futures. Exemple, la théorie d'Aristote selon laquelle tout était fait de quatre éléments, la terre, l'air, le feu et l'eau, était suffisamment simple pour effectuer des descriptions, mais elle ne permettait pas de prédiction précise. La théorie de la gravitation de Newton était fondée, elle, sur un modèle encore plus simple, dans lequel les corps s'attiraient l'un l'autre selon une force proportionnelle à une quantité appelée leur masse et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les séparait. Cependant, elle prédisait les mouvements du Soleil, de la Lune et des planètes avec un haut degré d'exactitude.

Toute théorie physique est toujours provisoire en ce sens qu'elle n'est qu'une hypothèse : vous ne pourrez jamais la prouver. Peu importe le nombre de fois où les résultats d'une expérience s'accorderont avec une théorie donnée ; vous ne pourrez jamais être sûr que, la fois suivante, ce résultat ne la contredira pas. Vous pouvez également réfuter une théorie en trouvant une observation unique qui ne cadre pas avec ses prédictions. Comme le philosophe des sciences Karl Popper l'a souligné, une bonne théorie se caractérise par le fait qu'elle fait un certain nombre de prédictions qui pourraient en principe être réfutées ou rendues fausses par l'observation. Chaque fois que de nouvelles expériences viendront corroborer les prédictions, la théorie sera confortée, et notre confiance en elle s'accroîtra ; mais si jamais une nouvelle observation ne s'inscrit pas dans son cadre, il nous faudra l'abandonner ou la modifier. Du moins est-ce ce qu'il est supposé advenir, mais vous pourrez toujours mettre en doute la compétence de la personne qui a réalisé l'observation en question.

Dans la pratique, il arrive souvent qu'une nouvelle théorie soit réellement une extension de la théorie précédente. Par exemple, des observations très précises de la planète Mercure ont révélé de légères différences entre son mouvement et les prédictions newtoniennes de la théorie de la gravitation. La théorie de la Relativité générale d'Einstein annonçait un mouvement légèrement différent de celui de la théorie de Newton. Le fait que les prédictions d'Einstein s'accordent à ce que l'on voyait, alors que celles de Newton ne le faisaient pas, fut l'une des confirmations cruciales de la nouvelle théorie. Cependant, nous utilisons toujours la théorie de Newton dans notre pratique quotidienne, car la différence entre ses prédictions et celles de la Relativité générale est minime dans les situations auxquelles nous avons affaire normalement. (La théorie de Newton a aussi le grand avantage d'être plus aisée à manipuler que celle d'Einstein !)

L'ultime but de la science est de fournir une théorie unique qui décrive l'Univers dans son ensemble. Cependant, la plupart des scientifiques scindent le problème en deux. D'un côté, il y a les lois de la physique qui nous disent comment l'Univers évolue avec le temps. (Si nous savons à quoi ressemble l'Univers à chaque instant donné, ces lois physiques nous disent à quoi il ressemblera l'instant d'après.) De l'autre, il y a la question de son état initial. Certains estiment que la science ne devrait s'occuper que du premier aspect de la question et considèrent le problème de la situation initiale de l'Univers comme du ressort de la métaphysique ou de la religion. Ce qui signifierait que Dieu, étant omniprésent, aurait pu faire démarrer l'Univers à sa guise. Peut-être en est-il ainsi mais, dans ce cas, Dieu aurait dû aussi le développer d'une façon complètement arbitraire. Pourtant, il apparaît qu'il a choisi de le faire évoluer d'une façon très régulière, selon certaines lois. Il semble donc tout aussi raisonnable de supposer qu'il y a également des lois qui gouvernent son état initial.

On se rend compte qu'il est très difficile de concevoir une théorie qui décrive l'Univers d'un seul coup. À la place, on choisit de morceler le problème et d'inventer un certain nombre de théories partielles ; chacune d'elles décrivant et prédisant une certaine classe limitée d'observations, négligeant les effets de quantités autres, ou les représentant par de simples séries de nombres. Il se peut que cette approche soit complètement fausse. Si tout dans l'Univers dépend de tout de façon fondamentale, il pourrait être impossible d'approcher une solution générale en traitant séparément les différentes parties du problème. Néanmoins, c'est assurément de cette façon que nous avons accompli quelques progrès dans le passé. L'exemple classique est encore celui de la théorie newtonienne de la gravitation, qui nous dit que la force gravitationnelle entre deux corps ne dépend que d'un nombre associé à chacun, leur masse, et est indépendante de ce dont ces corps sont constitués. Aussi n'a-t-on pas besoin d'avoir une théorie de la structure et de la constitution du Soleil et des planètes pour calculer leurs orbites.

Aujourd'hui, les savants décrivent l'Univers d'après deux théories partielles de base, la théorie de la Relativité générale et la Mécanique quantique. Ce sont les grandes réussites intellectuelles de la première moitié de ce siècle. La Relativité générale décrit la force de gravité et la structure à grande échelle de l'Univers, c'est-à-dire la structure à des échelles allant de quelques kilomètres à un million de milliards de milliards de kilomètres (un 1 suivi de 24 zéros), dimension de l'Univers observable. La Mécanique quantique, elle, s'intéresse à des phénomènes à échelle extrêmement réduite, comme le millionième de millionième du centimètre. Malheureusement, ces deux théories sont réputées incompatibles et ne peuvent donc être justes en même temps. L'un des plus grands efforts en physique aujourd'hui, et le thème majeur de ce livre, porte sur la recherche d'une nouvelle théorie qui les engloberait toutes les deux – une théorie quantique de la gravitation. Nous n'en disposons pas encore et il nous reste un long chemin à parcourir, mais nous connaissons déjà un grand nombre des propriétés qu'elle devra satisfaire. Et nous verrons, dans les chapitres suivants, tout ce que nous savons déjà quant aux prédictions qu'une telle théorie devrait énoncer.

Si vous pensez que l'Univers n'est pas arbitraire mais qu'il est régi par des lois précises, vous devrez en fin de compte combiner les théories partielles en une théorie complètement unifiée qui décrira tout dans l'Univers. Seulement, il y a un paradoxe fondamental dans la recherche d'une telle théorie complètement unifiée. Les notions relatives aux théories scientifiques que nous avons exposées plus haut supposent que nous sommes des êtres rationnels, libres d'observer l'Univers comme nous le voulons et de tirer des déductions logiques à partir de ce que nous voyons. Dans un tel schéma, il paraît raisonnable de supposer que nous avons pu nous rapprocher de plus en plus des lois qui régissent notre Univers. Pourtant, s'il existe vraiment une théorie complètement unifiée, elle devrait aussi vraisemblablement déterminer nos actions. Et ainsi, la théorie elle-même devrait déterminer l'aboutissement de notre recherche la concernant ! Et pourquoi déterminerait-elle que nous arrivons aux bonnes conclusions ? Ne pourrait-elle pas aussi bien déterminer le contraire ? Ou que nous n'arriverons à rien ?

La seule réponse que je puisse apporter à ce problème repose sur le principe de la sélection naturelle de Darwin. L'idée est la suivante : dans toute population d'organismes capables de s'autoreproduire, il y aura des variations dans le matériel génétique et dans l'éducation de chaque individu. Ces différences signifieront que certains d'entre eux seront plus aptes que d'autres à tirer les bonnes conclusions quant au monde qui les entoure, et à agir en conséquence. Ayant plus de chances que les autres de survivre et de se reproduire, leurs types de comportement et de pensée deviendront dominants. Il a certainement été vrai, dans le passé, que ce que nous appelons intelligence et découverte scientifique ont constitué un avantage en faveur d'une survie. Il n'est pas évident que cela soit encore le cas de nos jours : nos découvertes scientifiques peuvent nous détruire et, même si elles ne le font pas, une théorie complètement unifiée ne changera pas grand-chose à la situation. Cependant, à condition que l'Univers évolue de façon régulière, nous devrions nous attendre à ce que les capacités de raisonnement dont la sélection naturelle nous a pourvus soient également valables dans notre recherche d'une théorie complètement unifiée, et donc qu'elles ne nous conduisent pas à des conclusions fausses.

Comme les théories partielles dont nous disposons déjà sont suffisantes pour faire des prédictions exactes dans toutes les situations sauf les plus extrêmes, la recherche de la théorie fondamentale de l'Univers semble difficile à justifier au niveau pratique. (Il vaut la peine de noter, cependant, que des arguments semblables auraient pu être utilisés à la fois contre la Relativité et la Mécanique quantique, et que ces théories nous ont donné à la fois l'énergie nucléaire et la révolution de la microélectronique !) La découverte d'une théorie complètement unifiée, donc, peut ne pas venir en aide à la survie de notre espèce. Elle peut même ne pas affecter du tout notre mode de vie. Mais jamais, depuis l'aube de la civilisation, les hommes ne se sont accommodés d'événements hors cadre et inexplicables. Ils ont toujours eu soif de comprendre l'ordre sous-jacent dans le monde. Aujourd'hui, nous avons encore très envie de savoir pourquoi nous sommes là et d'où nous venons. Ce désir de savoir, chevillé à l'humanité, est une justification suffisante pour que notre quête continue. Et notre but n'est rien moins qu'une description complète de l'Univers dans lequel nous vivons.