La toute première preuve du Multivers

Le « point froid » pourrait être la preuve que notre univers n’est que l’un d’une multitude d’autres univers en forme de bulles de savon.

En 1964, les physiciens Arno Penzias et Robert Wilson travaillaient aux Bell Labs de Holmdel, dans le New Jersey, à la mise au point de récepteurs micro-ondes ultrasensibles pour les observations de radioastronomie.

Quoi qu’ils fassent, ils ne parviennent pas à débarrasser les récepteurs du bruit de fond radioélectrique qui, curieusement, semble provenir de toutes les directions à la fois. M. Penzias a contacté Robert Dicke, physicien de l’université de Princeton, qui a suggéré que le bruit radioélectrique pourrait être le fond diffus cosmologique (FDC), c’est-à-dire le rayonnement micro-onde primordial qui remplit l’univers.

Et voilà l’histoire de la découverte du FDC. Simple et élégant.

Pour leur découverte, Penzias et Wilson ont reçu le prix Nobel de physique en 1978, et pour cause. Leurs travaux nous ont fait entrer dans une nouvelle ère de la cosmologie, permettant aux scientifiques d’étudier et de comprendre notre univers comme jamais auparavant.

Pourtant, cette découverte a également conduit à l’une des découvertes les plus surprenantes de l’histoire récente : Des caractéristiques uniques dans le FDC pourraient être la première preuve directe que nous ayons jamais eu du multivers – d’une infinité de mondes et de peuples extraterrestres qui existent au-delà de l’univers connu.

Cependant, pour bien comprendre cette affirmation extraordinaire, il faut d’abord faire un voyage au début de l’espace et du temps.

L’histoire de l’Univers

Selon la théorie largement acceptée de l’origine de notre univers, pendant les premières centaines de milliers d’années qui ont suivi le Big Bang, notre univers était rempli d’un plasma férocement chaud composé de noyaux, d’électrons et de photons, qui diffusaient la lumière.

Vers 380 000 ans, l’expansion continue de notre univers l’a fait refroidir à moins de 3000 degrés K, ce qui a permis aux électrons de se combiner aux noyaux pour former des atomes neutres, et l’absorption des électrons libres a permis à la lumière d’éclairer l’obscurité.

Les preuves de ce phénomène, sous la forme du rayonnement du fond diffus cosmologique (le FDC), ont été détectées par Penzias et Wilson et ont contribué à établir la théorie du Big Bang en cosmologie.

Au cours des éons, l’expansion continue a refroidi notre univers à une température d’environ 2,7 K, mais cette température n’est pas uniforme. Les différences de température proviennent du fait que la matière n’est pas uniformément répartie dans l’univers. On pense que cela est dû à de minuscules fluctuations de densité quantique qui se sont produites juste après le Big Bang.

Un point en particulier, vu depuis l’hémisphère sud dans la constellation de l’Eridanus, est particulièrement froid, environ 0,00015 degré de moins que son environnement. Surnommé le “point froid”, les scientifiques pensaient initialement qu’il s’agissait d’un “supervide”, une zone qui contient beaucoup moins de galaxies que la normale.

Puis, en 2017, des chercheurs du Centre d’astronomie extragalactique de l’université de Durham, au Royaume-Uni, ont publié des recherches qui, selon eux, suggèrent que le point froid n’est finalement pas un supervide.

Au contraire ? Il pourrait être la preuve d’univers extraterrestres.

Le professeur Tom Shanks de Durham a proposé ce qu’il a décrit comme une explication “plus exotique” du point froid. Dans son travail, Shanks soutient que le point froid a été “causé par une collision entre notre univers et un autre univers-bulle… Le point froid pourrait être considéré comme la première preuve du multivers – et des milliards d’autres univers pourraient exister comme le nôtre”.

Auparavant, des physiciens, dont Anthony Aguirre, Matt Johnson et Matt Kleban, avaient souligné qu’une collision entre notre univers-bulle et une autre bulle du multivers produirait en fait une empreinte sur le rayonnement de fond cosmique. En outre, ils ont noté qu’elle apparaîtrait sous la forme d’une tache ronde présentant un niveau d’intensité de rayonnement plus ou moins élevé.

La proposition de Shanks semble correspondre à la réalité, mais cette caractéristique pourrait-elle vraiment être la preuve d’une multitude infinie d’univers qui existent au-delà du nôtre ?

Les lois du multivers

Aujourd’hui, il y a trois principaux prétendants qui expliquent comment le multivers peut fonctionner : l’interprétation de Copenhague, l’interprétation des “nombreux mondes” ou “branches de la fonction d’onde”, et les “branes parallèles” de la théorie des cordes.

Nous allons laisser la théorie des cordes pour un autre jour et nous concentrer sur les deux autres explications.

Le total de tous les états possibles dans lesquels un objet peut exister s’appelle la superposition cohérente d’un objet, et il est constitué de ce que l’on appelle la “fonction d’onde” de l’objet.

La mécanique quantique nécessite une fonction d’onde lisse et entièrement déterministe – une expression mathématique qui transmet des informations sur une particule sous la forme de nombreuses possibilités pour son emplacement et ses caractéristiques. Elle nécessite également quelque chose qui réalise l’une de ces possibilités et élimine toutes les autres.

Les avis divergent sur la manière dont cela se produit, mais selon la théorie la plus courante, connue sous le nom d’interprétation de Copenhague, cela se produit par l’observation de la fonction d’onde ou par la rencontre de la fonction d’onde avec une partie du monde “classique”. Cela provoque l’“effondrement” de la probabilité, ou fonction d’onde, et contraint la particule à un seul état.

L’interprétation de Copenhague a été élaborée dans les années 1920 par les physiciens Niels Bohr et Walter Heisenberg, qui soutenaient qu’une particule n’a pas d’existence matérielle tant qu’elle n’est pas soumise à une mesure (observation).

L’interprétation de Copenhague était essentiellement un artifice et, pour beaucoup, un artifice insatisfaisant.

En 1935, le physicien austro-irlandais Erwin Schrödinger a exposé le problème de l’interprétation de Copenhague dans sa célèbre expérience de pensée connue sous le nom de “chat de Schrödinger”.

Dans cette expérience théorique, un chat est placé dans une boîte scellée avec un peu de matériau radioactif et un compteur Geiger. Si le compteur Geiger détecte la désintégration du matériau radioactif, il déclenche la libération d’un gaz toxique qui tue le chat.

Pendant que la boîte est fermée, le chat est dans une superposition de vie et de mort en même temps. Ce n’est que lorsque la boîte est ouverte que le chat est contraint de passer d’un état à l’autre. Schrödinger a fait remarquer que cela était ridicule et que la superposition quantique ne pouvait pas fonctionner avec de grands objets tels que les chats, car il est impossible pour un organisme d’être simultanément vivant et mort. Il a donc conclu que l’interprétation de Copenhague devait être intrinsèquement erronée.

Un certain nombre d’alternatives à l’interprétation de Copenhague ont été proposées. Par exemple, l’approche des “variables cachées” défendue par Albert Einstein et David Bohm, entre autres, suggère que la fonction d’onde soit traitée comme une solution temporaire jusqu’à ce que les physiciens trouvent quelque chose de mieux. Tard dans sa vie, Heisenberg a proposé que le problème se situe au niveau de notre notion de la réalité elle-même. Il a suggéré que la fonction d’onde représente un niveau “intermédiaire” de la réalité.

L’approche la plus directe est peut-être celle de l’interprétation des “nombreux mondes” (many worlds interpretation – MWI) qui a été proposée pour la première fois en 1957 par un étudiant diplômé de l’université de Princeton nommé Hugh Everett. Everett étudiait la physique sous la direction de John Archibald Wheeler, qui avait imaginé que le tissu de l’univers était un royaume subatomique agité de fluctuations quantiques, qu’il appelait “mousse quantique”.

Dans sa thèse, intitulée The Theory of the Universal Wave Function, Everett soutient que la fonction d’onde universelle est réelle et ne s’effondre pas, comme dans l’interprétation de Copenhague. Dans ce cas, tous les résultats possibles d’une mesure quantique sont réalisés dans un “monde” ou un univers, et selon cette logique, il doit y avoir un très grand nombre, voire un nombre infini, d’univers.

L’interprétation des nombreux mondes de la physique quantique d’Everett a reçu peu de soutien de la part de la communauté des physiciens, et Everett a passé toute sa vie professionnelle en dehors du monde universitaire. Everett croyait tellement à sa théorie qu’il mangeait tout ce qu’il voulait, fumait trois paquets de cigarettes par jour, buvait à l’excès et refusait de faire de l’exercice. En juillet 1982, Hugh Everett meurt subitement d’une crise cardiaque à l’âge de 51 ans.

Selon ses instructions, Everett est incinéré et ses cendres sont jetées à la poubelle. En 1996, la fille d’Everett, Elizabeth, s’est suicidée et sa lettre de suicide indiquait qu’elle souhaitait elle aussi que ses cendres soient jetées à la poubelle afin qu’elle puisse « se retrouver dans le bon univers parallèle pour retrouver papa ».

Le fils d’Everett, Mark Oliver Everett, a ensuite formé le groupe de rock “The Eels”, dont la musique aborde souvent les thèmes de la famille, de la mort et de l’amour perdu.

Stephen Hawking et le multivers

Le célèbre physicien britannique Stephen Hawking est décédé le 14 mars 2018, après avoir passé des décennies confiné dans un fauteuil roulant et dépendant d’un synthétiseur vocal, car il souffrait d’une sclérose latérale amyotrophique. Le dernier article de recherche de Hawking, publié seulement 10 jours avant sa mort, a été écrit avec Thomas Hertog, un professeur de physique théorique à l’université KU Leuven en Belgique, et il concernait le multivers.

Dans l’article intitulé « Une sortie en douceur de l’inflation éternelle ? » Hawking et Hertog proposaient que l’expansion rapide de l’espace-temps après le Big Bang ait pu se produire à plusieurs reprises, créant une multitude d’univers.

Il s’agissait d’une expansion de la théorie de l’inflation, la théorie actuelle selon laquelle le Big Bang n’était pas vraiment le commencement. La théorie de l’inflation suggère qu’avant le Big Bang, l’Univers était rempli d’énergie qui faisait partie de l’espace lui-même, et que cette énergie a provoqué l’expansion de l’espace à un rythme exponentiel. C’est cette énergie qui a donné naissance au Big Bang.

Cependant, comme l’inflation, comme tout le reste, est de nature quantique, elle a dû se terminer à des moments différents, en des lieux différents, tandis que l’espace entre ces lieux continuait à se gonfler. Cela signifie qu’il y aurait des régions de l’espace où l’inflation se termine et où un Big Bang commence, mais ces régions ne peuvent jamais se rencontrer, car elles sont séparées par des régions d’espace en expansion.

Dans une interview, Hawking a expliqué ses préoccupations concernant la théorie de l’inflation en déclarant : « La théorie habituelle de l’inflation éternelle prédit que, globalement, notre univers est comme une fractale infinie, avec une mosaïque de différents univers de poche, séparés par un océan en expansion. Les lois locales de la physique et de la chimie peuvent différer d’un univers de poche à l’autre, qui formeraient ensemble un multivers. Mais je n’ai jamais été un fan du multivers. Si l’échelle des différents univers dans le multivers est grande ou infinie, la théorie ne peut pas être testée. »

Au lieu de cela, le couple prédit que l’univers, du moins aux plus grandes échelles, est en fait lisse et fini. Leur théorie utilise le concept d’holographie, qui décrit comment la réalité physique dans certains espaces 3D peut être mathématiquement réduite à des projections 2D sur une surface. En utilisant ce concept, ils ont pu réduire l’inflation éternelle à un état intemporel, défini sur une surface spatiale au début du temps lui-même.

Hertog et Hawking ont ensuite utilisé leur nouvelle théorie pour prédire que l’univers qui émerge de l’inflation éternelle est en fait fini et beaucoup plus simple que la structure fractale infinie prédite par la théorie existante de l’inflation éternelle.

Hawking a expliqué que « nous ne sommes pas réduits à un seul et unique univers, mais nos résultats impliquent une réduction significative du multivers, à une gamme beaucoup plus réduite d’univers possibles ».

Cela rend la théorie non seulement plus prédictive mais aussi testable.

Et si Hawking et Hertog, Everett et Laura Mersini-Houghton, Tegmark et Greene, et une multitude d’autres physiciens ont raison, alors quelque part, dans un autre univers, au moment précis où vous lisez cet article, Hawking marche et parle avec animation de physique. Espérons-le.

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Source : Interesting Engineering – Traduit par Anguille sous roche