Hawking prend le multivers infini

Le dernier article de Stephen Hawking sur la cosmologie, publié à titre posthume, pourrait résoudre le problème de l’inflation éternelle, une théorie suggérant que notre cosmos n’est qu’un des nombreux univers infinis.

Cette représentation symbolique montre l'évolution de l'univers au cours de 13, 7 milliards d'années. L'extrême gauche représente le Big Bang, le moment le plus précoce que nous puissions encore sonder, lorsqu'un moment "d'inflation" extrêmement bref a produit un sursaut de croissance exponentielle dans l'univers. (La taille est symbolisée par l'étendue verticale dans ce graphique.)
NASA / WMAP

De nombreuses preuves suggèrent que, juste une fraction de seconde après le Big Bang, l'univers naissant a connu une poussée de croissance fantastique. La phase elle-même n'a duré qu'une fraction de seconde, mais elle est responsable de l'univers que nous voyons maintenant. Même les particules qui composent les étoiles et les humains ont été créées à partir de son énergie.

Le problème est que, selon la plupart des théories sur l’inflation cosmique, la poussée de croissance n’a jamais vraiment cessé. Bien que notre poche d’espace, ce que nous appelons notre univers, ait pu arrêter son expansion exponentielle, l’univers global n’a jamais cessé de s’étirer.

Maintenant, dans un article publié par Stephen Hawking (à titre posthume) et son collègue Thomas Hertog (KU Leuven, Belgique) dans le Journal de la physique des hautes énergies, les scientifiques renversent cette image en affirmant qu'il faut repenser notre univers Ses débuts. En appliquant la théorie quantique et des cordes à un modèle mathématique simplifié de l'univers, Hawking et Hertog concluent que l'inflation cosmique n'est pas éternelle après tout.

Inflation éternelle

Pourquoi la plupart des cosmologues pensent-ils que l'inflation est éternelle? L’idée sous-jacente de l’inflation est que presque immédiatement après le Big Bang, notre univers tout entier est entré dans un état d’énergie non totalement stable appelé faux vide . Le terme est un peu trompeur, car ce que les scientifiques entendent par «vide», dans ce cas, est en réalité «état fondamental»; «Faux vide» est simplement une autre façon de dire que l'univers est dans un état d'énergie élevée. La pression négative de cet état entraîne une expansion exponentielle rapide de tout l’espace.

De toute évidence, notre univers n'est pas encore dans cette poussée de croissance - sinon, nous ne pourrions même pas voir les galaxies voisines. L'expansion de l'espace les aurait depuis longtemps écartés. D'une manière ou d'une autre, au moins notre univers local devait sortir de cette phase.

Peu de temps après que Alan Guth eut formulé l’idée de l’inflation, des scientifiques, dont Paul Steinhardt (alors à l’Université de Pennsylvanie) et Alexander Vilenkin (Université de Tufts), ont compris que les fluctuations quantiques pourraient contribuer à mettre fin à la période inflationniste. Une poche d’espace pourrait sortir spontanément de l’inflation et s’installer dans une phase d’expansion relativement calme. Mais, les fluctuations quantiques étant aléatoires, l’inflation s’arrêterait ici et là plutôt que partout à la fois. Pendant ce temps, bien au-delà de ce que nous pouvons observer, l’espace continue de se gonfler à un rythme exponentiel. Même si les fluctuations quantiques entraînent de manière analogue l'inflation dans d'autres poches d'espace, l'univers dans son ensemble continuerait de croître de façon exponentielle - pour toujours.

Si l’inflation est vraiment éternelle, notre cosmos fait partie d’une variété infinie d’univers (appelée multivers), chacun s’inscrivant dans une variété infinie de lois physiques.

Un univers fini

Stephen Hawking donne une présentation en 2003 sur la toile de fond de la carte de fond à hyperfréquences cosmiques du ciel WMAP.
Dan Falk

Du moins, c'est la conclusion à laquelle parviennent les cosmologistes en traitant les effets quantiques comme étant relativement faibles par rapport à un univers largement dominé par la relativité. "Mais je n'ai jamais été un fan du multivers", a déclaré Hawking lors d'une interview à l'automne dernier. "Si l'échelle des différents univers du multivers est grande ou infinie, la théorie ne peut pas être testée."

Hawking et Hertog soutiennent que la relativité s'effondrerait dans l'univers primitif. seule la théorie quantique s'applique. Traitant l'univers comme une particule minuscule, ils calculent sa fonction d'onde : une seule équation décrivant tous les états possibles de notre univers.

Pour ce faire, ils simplifient d'abord le calcul de manière apparemment étrange. Premièrement, ils supposent un univers simple, sans matière ni énergie, avec une géométrie globale en forme de selle. Bien sûr, nous ne vivons pas réellement dans un univers sans matière ni énergie, et la géométrie de l'univers semble être plate comme une feuille de papier plutôt qu'en forme de selle, mais c'est le point de départ que beaucoup de cosmologistes utilisent pour élaborer nouvelles théories.

Mais ce n'est pas tout. Ils supposent également qu'ils peuvent traiter cet univers comme un hologramme. Oui, vraiment, cela semble étrange, mais au fond, ils réduisent les équations tridimensionnelles en équations bidimensionnelles projetées sur une surface. (Cela ne signifie pas que notre univers est un hologramme, mais simplement que nous pouvons le traiter mathématiquement comme tel.)

Plutôt que de réduire une dimension spatiale, Hawking et Hertog suppriment le temps . La relativité n'est plus nécessaire dans un univers intemporel, et la paire pourrait se fier uniquement à la théorie quantique.

À partir de là, Hawking et Hertog résolvent les équations et aboutissent à une conclusion stupéfiante: l'univers qui émerge de l'inflation est fini. Nous vivons toujours dans un multivers, mais maintenant il en est un avec des possibilités limitées.

Vilenkin recommande toutefois d’interpréter ces résultats avec prudence, soulignant que le traitement mathématique simplifié et les conclusions qu’il en découlent pourraient ne pas s’appliquer à notre univers réel, plus complexe. "Je suis sûr que Thomas Hertog tentera d'aller au-delà de ce modèle", ajoute Vilenkin, "mais il est difficile de dire à quel point ce projet sera un succès."