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Décès de Isaak Khalatnikov, théoricien de la singularité du Big Bang et co-créateur avec Landau de la bombe A russe

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Une légende de la physique et de la cosmologie russe vient de décéder à l’âge de 101 ans. L’académicien Isaak Khalatnikov avait collaboré avec le mythique Lev Landau sur les premières armes nucléaires soviétiques et fait une conjecture importante sur les singularités étudiées par Stephen Hawking en cosmologie et avec les trous noirs.

La guerre froide a en partie séparé de grands physiciens du XXe siècle et certaines découvertes attribuées à des chercheurs de l’Ouest avaient déjà été faites par des chercheurs du bloc soviétique, comme on le réalisa souvent après la chute du mur de Berlin. Des stars de la physique russe très connues dans leur patrie ne le sont pas en Europe et aux États-Unis, sauf des spécialistes. Ainsi, Lev Landau est aussi légendaire en Russie que Richard Feynman ou Stephen Hawking.

Une de ces stars de la physique du temps de l’Union soviétique, et même après, vient de décéder à l’âge de 101 ans ce 9 janvier 2021 à Tchernogolovka, petite ville de la banlieue de Moscou et exemple prestigieux de cité scientifique (naoukograd) en Russie (on y trouve notamment le mythique Institut de physique théorique Landau – Институт теоретической физики им. Л. Д. Ландау).

Isaak Khalatnikov était né le 17 octobre 1919 à Yekaterinoslav (aujourd’hui Dnipro, en Ukraine). Il avait participé à la Grande Guerre patriotique contre l’armée allemande pendant la seconde guerre mondiale. Après la démobilisation, il a fait partie des happy few sélectionnés pour devenir un des étudiants en physique théorique de Lev Landau. Il sera à l’origine avec lui d’importants travaux concernant la physique des superfluides et il en tirera une monographie.

Avec Landau, Iakov Zeldovitch, Iouli Khariton et bien sûr Andrei Sakharov il va contribuer à la création des armes nucléaires soviétiques, et c’est l’un des derniers élèves de Landau et l’un des derniers créateurs de la bombe atomique russe qui vient de nous quitter. Il n’y a bien évidemment rien de très glorieux à avoir participé à la création des bombes A et H mais la tâche était si difficile que seuls des physiciens d’exception pouvaient y parvenir. Isaak Khalatnikov deviendra d’ailleurs par la suite directeur de l’Institut de physique théorique Landau et membre de l’Académie des sciences de l’URSS en 1984.

Un documentaire sur Isaak Khalatnikov mais que l’on ne peut voir que directement sur YouTube. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en russe devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l’écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © История

Des explosions nucléaires au Big Bang

Tout comme Zeldovitch à partir du début des années 1960, il va se tourner vers l’astrophysique et la cosmologie relativiste en se penchant sur ce que Lev Landau, lui-même, considérait comme l’un des plus importants problèmes non résolus de la physique moderne, l’existence d’une singularité en cosmologie et plus généralement lors de l’effondrement d’une étoile. Le résultat final de cet effondrement est ce que l’école russe autour de Zeldovitch et de son collaborateur principal Igor Novikov va d’abord appeler une étoile gelée, puis l’école états-unienne autour de John Wheeler, un trou noir.

Khalatnikov va commencer par faire équipe avec un autre brillant élève de Landau, coauteur du célèbre cours de physique théorique dit de Landau-Lifshitz (peu savent qu’il en existe une version abrégée et une introduction similaire au cours de Feynman).

Comme l’explique Kip Thorne dans son ouvrage de vulgarisation sur les trous noirs et l’astrophysique relativiste, Evgeny Lifshitz et Isaak Khalatnikov vont initialement penser qu’ils sont parvenus à montrer qu’une étoile ne peut pas s’effondrer en donnant un trou noir avec une singularité centrale où la courbure de l’espace-temps et la densité de matière deviennent infinies. Et comme l’effondrement gravitationnel d’une étoile est l’équivalent par renversement du temps de la naissance de l’Univers dans le cadre de la théorie du Big Bang, il ne devrait pas y avoir non plus de singularité cosmologique initiale.

L’occurrence de ces singularités était pensée comme un artefact des modèles considérés jusqu’ici, négligeant pour une étoile l’effet de sa rotation et la considérant comme de densité uniforme – comme dans le cas des modèles cosmologiques découverts par Friedmann et Lemaître. De légères perturbations aux solutions décrivant ces scénarios idéalisés rendant ces objets plus « rugueux » devaient invalider l’apparition de singularités selon les calculs de Lifshitz et Khalatnikov.

L’énigme de la singularité cosmologique primordiale

Toutefois, en 1965, le prix Nobel de physique Roger Penrose publia son fameux théorème s’inscrivant en faux contre les conclusions des deux physiciens soviétiques. D’abord sceptiques, ils finirent par se convaincre de leur erreur quelques années plus tard et en 1968, avec leur étudiant Vladimir A. Belinsky ils découvrirent, toujours dans le cadre de la version classique de la théorie de la relativité générale, sans effets quantiques, les résultats qui sont connus aujourd’hui comme à l’origine de la célèbre conjecture BLK sur les singularités.

Selon cette conjoncture, qui ne vaut peut-être pas en gravité quantique, à l’approche de toute singularité, l’espace-temps classique en 4 dimensions devient turbulent et chaotique. Et si on imagine une distribution de sphère entourant chacun des points de l’espace en cours d’effondrement, si le volume de cette sphère tend bien vers zéro, des phases chaotiques et oscillantes affectent cet effondrement selon des axes qui trahissent en alternance des expansions et des contractions.

Ces questions ont été étudiées plus tard en utilisant la théorie des cordes et la supergravité ainsi que des simulations numériques, montrant ce qui se passait avec les équations d’Einstein. Elles se transformaient en celles décrivant le comportement d’un jeu de billard avec des trajectoires devenant chaotiques, comme dans les travaux du mathématicien russe Yakov Sinai, prix Abel 2014 sur l’apparition du chaos dans ce genre de système mécanique.

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Via futura-sciences.com

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