Impression artistique d’un Multivers – où notre Univers n’est qu’un parmi d’autres. Selon les… recherches, des quantités variables d’énergie noire ont peu d’effet sur la formation des étoiles. Cela soulève la perspective d’une vie dans d’autres univers – si le Multivers existe.
Jaime Salcido/simulations de la collaboration EAGLE
L’Univers est tout ce qu’il y a jamais eu, tout ce qu’il y a, et tout ce qu’il y aura jamais. Du moins, c’est ce qu’on nous dit, et c’est ce qu’implique le mot « Univers » lui-même. Mais quelle que soit la nature réelle de l’Univers, notre capacité à recueillir des informations à son sujet est fondamentalement limitée.
Il ne s’est écoulé que 13,8 milliards d’années depuis le Big Bang, et la vitesse maximale à laquelle toute information peut voyager – la vitesse de la lumière – est finie. Même si l’Univers entier lui-même peut véritablement être infini, l’Univers observable est limité. Cependant, selon les principales idées de la physique théorique, notre Univers pourrait n’être qu’une région minuscule d’un multivers beaucoup plus grand, dans lequel de nombreux Univers, peut-être même un nombre infini, sont contenus. Certaines de ces hypothèses relèvent de la science, mais d’autres ne sont que des spéculations et des vœux pieux. Voici comment distinguer les unes des autres. Mais d’abord, un peu de contexte.
Il existe un large ensemble de preuves scientifiques qui soutiennent l’image de l’Univers en expansion… et du Big Bang. La totalité de la masse-énergie de l’Univers a été libérée lors d’un événement d’une durée inférieure à 10^-30 secondes ; la chose la plus énergétique qui se soit jamais produite dans l’histoire de notre Univers.
NASA / GSFC
L’Univers présente aujourd’hui quelques faits qui sont relativement faciles, du moins avec des installations scientifiques de classe mondiale, à observer. Nous savons que l’Univers est en expansion : nous pouvons mesurer des propriétés sur les galaxies qui nous apprennent à la fois leur distance et la vitesse à laquelle elles semblent s’éloigner de nous. Plus elles sont éloignées, plus elles semblent s’éloigner rapidement. Dans le contexte de la relativité générale, cela signifie que l’Univers est en expansion.
Et si l’Univers est en expansion aujourd’hui, cela signifie qu’il était plus petit et plus dense dans le passé. Extrapolez suffisamment loin en arrière, et vous constaterez que les choses sont également plus uniformes (parce que la gravité met du temps à faire s’agglutiner les choses) et plus chaudes (parce que des longueurs d’onde plus petites pour la lumière signifient des énergies/températures plus élevées). Cela nous ramène au Big Bang.
Une illustration de notre histoire cosmique, du Big Bang jusqu’à aujourd’hui, dans le contexte de… l’Univers en expansion. La première équation de Friedmann décrit toutes ces époques, de l’inflation au Big Bang jusqu’à aujourd’hui et loin dans le futur, de manière parfaitement précise, même aujourd’hui.
NASA / WMAP science team
Mais le Big Bang n’était pas le tout début de l’Univers ! Nous ne pouvons extrapoler qu’à partir d’une certaine époque avant que les prédictions du Big Bang ne s’effondrent. Il y a un certain nombre de choses que nous observons dans l’Univers que le Big Bang ne peut pas expliquer, mais une nouvelle théorie qui met en place le Big Bang – l’inflation cosmique – le peut.
Les fluctuations quantiques qui se produisent pendant l’inflation s’étirent à travers l’Univers, et quand… l’inflation se termine, elles deviennent des fluctuations de densité. Cela conduit, au fil du temps, à la structure à grande échelle de l’Univers aujourd’hui, ainsi qu’aux fluctuations de température observées dans le CMB.
E. Siegel, avec des images dérivées de ESA/Planck et du groupe de travail interagences DoE/NASA/ NSF sur la recherche sur le CMB
Dans les années 1980, un grand nombre de conséquences théoriques de l’inflation ont été élaborées, notamment :
- à quoi devraient ressembler les germes de la structure à grande échelle,
- que les fluctuations de température et de densité devraient exister à des échelles plus grandes que l’horizon cosmique,
- que toutes les régions de l’espace, même avec des fluctuations, devraient avoir une entropie constante,
- et qu’il devrait y avoir une température maximale atteinte par le Big Bang chaud.
Dans les années 1990, 2000 et 2010, ces quatre prédictions ont été confirmées par l’observation avec une grande précision. L’inflation cosmique est gagnante.
L’inflation entraîne une expansion exponentielle de l’espace, ce qui peut très rapidement faire apparaître plat tout espace préexistant… courbe ou non lisse. Si l’Univers est courbe, il a un rayon de courbure qui est au minimum des centaines de fois plus grand que ce que nous pouvons observer.
E. Siegel (L) ; le tutoriel de cosmologie de Ned Wright (R)
L’inflation nous indique qu’avant le Big Bang, l’Univers n’était pas rempli de particules, d’antiparticules et de rayonnement. Au lieu de cela, il était rempli d’énergie inhérente à l’espace lui-même, et cette énergie a provoqué l’expansion de l’espace à un rythme rapide, implacable et exponentiel. À un moment donné, l’inflation prend fin et la totalité (ou presque) de cette énergie se transforme en matière et en énergie, donnant naissance au Big Bang. La fin de l’inflation, et ce que l’on appelle le réchauffement de notre Univers, marque le début du Big Bang chaud. Le Big Bang a toujours lieu, mais ce n’est pas le tout début.
Si c’était l’histoire complète, tout ce que nous aurions serait un Univers extrêmement grand. Il aurait les mêmes propriétés partout, les mêmes lois partout, et les parties situées au-delà de notre horizon visible seraient similaires à celles où nous sommes, mais il ne serait pas justifié de l’appeler le multivers.
Jusqu’à ce que, c’est-à-dire, vous vous rappeliez que tout ce qui existe physiquement doit être intrinsèquement quantique par nature. Même l’inflation, avec toutes les inconnues qui l’entourent, doit être un champ quantique.
Si vous exigez alors que l’inflation ait les propriétés que tous les champs quantiques ont :
- que ses propriétés aient des incertitudes qui leur sont inhérentes,
- que le champ soit décrit par une fonction d’onde,
- et que les valeurs de ce champ puissent s’étaler dans le temps,
vous arrivez à une conclusion surprenante.
Là où l’inflation se produit (cubes bleus), elle donne naissance à des régions de l’espace exponentiellement plus nombreuses avec… chaque pas en avant dans le temps. Même s’il y a beaucoup de cubes où l’inflation se termine (X rouges), il y a beaucoup plus de régions où l’inflation continuera dans le futur. Le fait que cela ne prenne jamais fin est ce qui rend l’inflation » éternelle » une fois qu’elle a commencé.
E. Siegel / Beyond The Galaxy
L’inflation ne se termine pas partout en même temps, mais plutôt dans des endroits choisis et déconnectés à un moment donné, tandis que l’espace entre ces endroits continue de gonfler. Il devrait y avoir de multiples et énormes régions de l’espace où l’inflation se termine et où un Big Bang chaud commence, mais elles ne peuvent jamais se rencontrer, car elles sont séparées par des régions d’espace en expansion. Quel que soit l’endroit où l’inflation commence, il est pratiquement garanti qu’elle se poursuivra pendant une éternité, au moins par endroits.
Là où l’inflation se termine pour nous, nous obtenons un Big Bang chaud. La partie de l’Univers que nous observons n’est qu’une partie de cette région où l’inflation s’est terminée, avec plus d’Univers non observable au-delà. Mais il existe un nombre incalculable de régions, toutes déconnectées les unes des autres, avec exactement la même histoire.
Une illustration de multiples Univers indépendants, déconnectés causalement les uns des autres dans un… océan cosmique en expansion constante, est une représentation de l’idée de Multivers. Dans une région où le Big Bang commence et où l’inflation se termine, le taux d’expansion va chuter, tandis que l’inflation continue entre deux telles régions, les séparant à jamais.
Ozytive / Public domain
C’est l’idée du multivers. Comme vous pouvez le voir, elle repose sur deux aspects indépendants, bien établis et largement acceptés de la physique théorique : la nature quantique de toute chose et les propriétés de l’inflation cosmique. Il n’existe aucun moyen connu de la mesurer, tout comme il n’existe aucun moyen de mesurer la partie inobservable de notre Univers. Mais la validité des deux théories qui la sous-tendent, l’inflation et la physique quantique, a été démontrée. Si elles sont justes, alors le multivers en est une conséquence inéluctable, et nous y vivons.
L’idée du multivers affirme qu’il existe un nombre arbitrairement grand d’Univers comme le nôtre, mais…. cela ne signifie pas nécessairement qu’il y a une autre version de nous là-bas, et cela ne signifie certainement pas qu’il y a une chance de rencontrer une version alternative de vous-même… ou quoi que ce soit d’un autre Univers du tout.
Lee Davy / flickr
Et alors ? Ce n’est pas grand-chose, n’est-ce pas ? Il y a plein de conséquences théoriques qui sont inévitables, mais dont on ne peut pas avoir la certitude parce qu’on ne peut pas les tester. Le multivers fait partie d’une longue liste de ces conséquences. Ce n’est pas particulièrement une réalisation utile, juste une prédiction intéressante qui tombe de ces théories.
Alors pourquoi tant de physiciens théoriques écrivent-ils des articles sur le multivers ? Sur les Univers parallèles et leur connexion au nôtre à travers ce multivers ? Pourquoi prétendent-ils que le multivers est connecté au paysage de cordes, à la constante cosmologique, et même au fait que notre Univers est finement accordé pour la vie ?
Parce que même si c’est manifestement une mauvaise idée, ils n’en ont pas de meilleure.
Le paysage de cordes pourrait être une idée fascinante et pleine de potentiel théorique, mais il… ne prédit rien de ce que nous pouvons observer dans notre Univers. Cette idée de beauté, motivée par la résolution de problèmes » non naturels « , ne suffit pas à elle seule à s’élever au niveau requis par la science.
Université de Cambridge
Dans le contexte de la théorie des cordes, il existe un énorme ensemble de paramètres qui pourraient, en principe, prendre presque n’importe quelle valeur. La théorie ne fait aucune prédiction pour eux, nous devons donc les mettre à la main : les valeurs attendues des vacua de cordes. Si vous avez entendu parler de nombres incroyablement grands, comme le fameux 10500 qui apparaît dans la théorie des cordes, les valeurs possibles de la vacua des cordes sont ce à quoi ils font référence. Nous ne savons pas ce qu’elles sont, ni pourquoi elles ont les valeurs qu’elles ont. Personne ne sait comment les calculer.
Une représentation des différents « mondes » parallèles qui pourraient exister dans d’autres poches du… multivers.
Domaine public
Alors, au lieu de cela, certains disent « c’est le multivers ! ». Le raisonnement est le suivant :
- Nous ne savons pas pourquoi les constantes fondamentales ont les valeurs qu’elles ont.
- Nous ne savons pas pourquoi les lois de la physique sont ce qu’elles sont.
- La théorie des cordes est un cadre qui pourrait nous donner nos lois de la physique avec nos constantes fondamentales, mais elle pourrait nous donner d’autres lois et/ou d’autres constantes.
- Par conséquent, si nous avons un énorme multivers, où beaucoup de régions différentes ont des lois et/ou des constantes différentes, l’une d’entre elles pourrait être la nôtre.
Le gros problème est que non seulement c’est énormément spéculatif, mais qu’il n’y a aucune raison, compte tenu de l’inflation et de la physique quantique que nous connaissons, de présumer qu’un espace-temps qui gonfle a des lois ou des constantes différentes dans différentes régions.
Non impressionné par ce raisonnement ? Pratiquement personne non plus.
À quel point notre Univers était-il probable ou improbable de produire un monde comme la Terre ? Et à quel point ces… probabilités seraient-elles plausibles si les constantes ou les lois fondamentales qui régissent notre Univers étaient différentes ? A Fortunate Universe, dont cette image est tirée de la couverture, est un de ces livres qui explore ces questions.
Geraint Lewis et Luke Barnes
Comme je l’ai déjà expliqué, le Multivers n’est pas une théorie scientifique en soi. Il s’agit plutôt d’une conséquence théorique des lois de la physique telles qu’elles sont le mieux comprises aujourd’hui. C’est peut-être même une conséquence inévitable de ces lois : si vous avez un Univers inflationniste régi par la physique quantique, c’est quelque chose que vous êtes pratiquement certain d’obtenir. Mais – un peu comme la théorie des cordes – elle a de gros problèmes : elle ne prédit rien que nous ayons observé et que nous ne puissions expliquer sans elle, et elle ne prédit rien de définitif que nous puissions aller chercher.
Visualisation d’un calcul de théorie quantique des champs montrant des particules virtuelles dans le vide quantique….. Même dans un espace vide, cette énergie du vide est non nulle. Nous ne pouvons pas savoir si elle a la même valeur, constante, dans d’autres régions du multivers, mais il n’y a aucune motivation pour qu’il en soit ainsi.
Derek Leinweber
Dans cet Univers physique, il est important d’observer tout ce que nous pouvons, et de mesurer chaque parcelle de connaissance que nous pouvons glaner. Ce n’est qu’à partir de l’ensemble des données disponibles que nous pouvons espérer tirer un jour des conclusions valables et scientifiques sur la nature de notre Univers. Certaines de ces conclusions auront des implications que nous ne serons peut-être pas en mesure de mesurer : l’existence du multivers en découle. Mais lorsque les gens prétendent pouvoir tirer des conclusions sur les constantes fondamentales, les lois de la physique ou les valeurs des vacuoles de cordes, ils ne font plus de la science, ils spéculent. Les vœux pieux ne remplacent pas les données, les expériences ou les observables. Jusqu’à ce que nous les ayons, sachez que le multivers est une conséquence de la meilleure science dont nous disposons aujourd’hui, mais qu’il ne fait aucune prédiction scientifique que nous puissions mettre à l’épreuve.