Voici pourquoi les physiciens suspectent que le multivers existe très probablement

Idée folle et irrésistible sans test direct et pratique, le multivers est très controversé. Mais les piliers qui le soutiennent sont stables.

Lorsque nous observons l’Univers aujourd’hui, il nous raconte simultanément deux histoires à son sujet. L’une de ces histoires est écrite sur le visage de ce à quoi l’Univers ressemble aujourd’hui, et comprend les étoiles et les galaxies que nous avons, comment elles sont regroupées et comment elles bougent, et de quels ingrédients elles sont faites. Il s’agit d’une histoire relativement simple, que nous avons apprise simplement en observant l’Univers que nous voyons.

Mais l’autre histoire est de savoir comment l’Univers est devenu ce qu’il est aujourd’hui, et c’est une histoire qui demande un peu plus de travail pour être découverte. Bien sûr, nous pouvons observer des objets à grande distance, ce qui nous renseigne sur l’état de l’Univers dans un passé lointain, lorsque la lumière qui nous parvient aujourd’hui a été émise pour la première fois. Mais nous devons combiner ces informations avec nos théories de l’Univers – les lois de la physique dans le cadre du Big Bang – pour interpréter ce qui s’est passé dans le passé. Lorsque nous faisons cela, nous voyons des preuves extraordinaires que notre Big Bang chaud a été précédé et mis en place par une phase antérieure : l’inflation cosmique. Mais pour que l’inflation nous donne un Univers cohérent avec ce que nous observons, il faut qu’un appendice troublant vienne s’y ajouter : un multivers. Voici pourquoi les physiciens affirment massivement qu’un multivers doit exister.

Dans les années 1920, il est devenu évident que non seulement les nombreuses spirales et elliptiques dans le ciel étaient en fait des galaxies entières, mais que plus une galaxie était éloignée, plus sa lumière était décalée vers des longueurs d’onde systématiquement plus grandes. Si diverses interprétations ont été suggérées au départ, elles se sont toutes effondrées avec l’abondance des preuves, jusqu’à ce qu’il n’en reste plus qu’une : l’Univers lui-même subissait une expansion cosmologique, comme une miche de pain aux raisins levés, où des objets liés comme les galaxies (par exemple, les raisins) étaient intégrés dans un Univers en expansion (par exemple, la pâte).

Si l’Univers est en expansion aujourd’hui et que le rayonnement qu’il contient est déplacé vers des longueurs d’onde plus grandes et des énergies plus faibles, alors dans le passé, l’Univers a dû être plus petit, plus dense, plus uniforme et plus chaud. Tant qu’une quantité quelconque de matière et de rayonnement fait partie de cet Univers en expansion, l’idée du Big Bang donne lieu à trois prédictions explicites et génériques :

1. une toile cosmique à grande échelle dont les galaxies grandissent, évoluent et se regroupent plus richement au fil du temps,
2. un fond de rayonnement à basse énergie, le rayonnement du corps noir, qui provient de la formation des atomes neutres dans l’Univers chaud et primitif,
3. et des rapports spécifiques des éléments les plus légers – hydrogène, hélium, lithium et leurs divers isotopes – qui existent même dans les régions qui n’ont jamais formé d’étoiles.

Ces trois prédictions ont été confirmées par l’observation, et c’est pourquoi le Big Bang règne en maître en tant que principale théorie de l’origine de notre Univers, et pourquoi toutes ses autres concurrentes se sont effondrées. Cependant, le Big Bang ne fait que décrire ce à quoi ressemblait notre Univers à ses tout débuts ; il n’explique pas pourquoi il avait ces propriétés. En physique, si vous connaissez les conditions initiales de votre système et les règles auxquelles il obéit, vous pouvez prédire avec une extrême précision – dans les limites de votre puissance de calcul et de l’incertitude inhérente à votre système – comment il évoluera arbitrairement dans le futur.

Mais quelles conditions initiales le Big Bang devait-il avoir à son début pour nous donner l’Univers que nous avons ? C’est un peu surprenant, mais ce que nous trouvons est que :

• il devait y avoir une température maximale nettement inférieure (d’un facteur ~1000, au moins) à l’échelle de Planck, qui est celle où les lois de la physique s’effondrent,
• l’Univers a dû naître avec des fluctuations de densité d’approximativement la même magnitude à toutes les échelles,
• le taux d’expansion et la densité totale de matière et d’énergie doivent s’être équilibrés presque parfaitement : à au moins ~30 chiffres significatifs,
• il doit être né avec les mêmes conditions initiales – même température, même densité et même spectre de fluctuations – à tous les endroits, même ceux qui sont déconnectés causalement,
• et son entropie doit avoir été beaucoup, beaucoup plus faible qu’elle ne l’est aujourd’hui, par un facteur de plusieurs trillions de trillions.

Chaque fois que nous nous heurtons à la question des conditions initiales – en gros, pourquoi notre système a-t-il commencé de cette façon ? – nous n’avons que deux options. Nous pouvons faire appel à l’inconnaissable, en disant qu’il en est ainsi parce que c’est la seule façon dont il aurait pu être et que nous ne pouvons rien savoir de plus, ou nous pouvons essayer de trouver un mécanisme pour mettre en place et créer les conditions que nous savons nécessaires. Cette deuxième voie est ce que les physiciens appellent “faire appel à la dynamique”, où nous essayons de concevoir un mécanisme qui fait trois choses importantes.

1. Il doit reproduire toutes les réussites du modèle qu’il tente de remplacer, le Big Bang chaud en l’occurrence. Ces premières pierres angulaires doivent toutes ressortir du mécanisme que nous proposons.
2. Il doit expliquer ce que le Big Bang ne peut pas faire : les conditions initiales dans lesquelles l’Univers a démarré. Ces problèmes qui restent inexpliqués dans le cadre du seul Big Bang doivent être expliqués par toute idée nouvelle qui se présente.
3. Et elle doit faire de nouvelles prédictions qui diffèrent des prédictions de la théorie originale, et ces prédictions doivent conduire à une conséquence qui est d’une certaine manière observable, testable et/ou mesurable.

La seule idée que nous ayons eue qui remplissait ces trois critères était la théorie de l’inflation cosmique, qui a remporté des succès sans précédent sur ces trois fronts.

Ce que l’inflation dit en gros, c’est que l’Univers, avant d’être chaud, dense et rempli de matière et de rayonnement partout, était dans un état où il était dominé par une très grande quantité d’énergie inhérente à l’espace lui-même : une sorte de champ ou d’énergie du vide. Seulement, contrairement à l’énergie noire actuelle, dont la densité d’énergie est très faible (l’équivalent d’environ un proton par mètre cube d’espace), la densité d’énergie pendant l’inflation était énorme : environ 1025 fois plus grande que l’énergie noire actuelle !

La façon dont l’Univers s’étend pendant l’inflation est différente de celle que nous connaissons. Dans un Univers en expansion avec de la matière et du rayonnement, le volume augmente alors que le nombre de particules reste le même, et donc la densité diminue. Comme la densité d’énergie est liée au taux d’expansion, l’expansion ralentit avec le temps. Mais si l’énergie est intrinsèque à l’espace lui-même, alors la densité d’énergie reste constante, tout comme le taux d’expansion. Il en résulte ce que nous appelons l’expansion exponentielle, c’est-à-dire qu’après une très courte période de temps, la taille de l’Univers double, et après ce laps de temps, elle double à nouveau, et ainsi de suite. En très peu de temps – une infime fraction de seconde – une région qui était initialement plus petite que la plus petite particule subatomique peut s’étirer jusqu’à devenir plus grande que l’ensemble de l’Univers visible aujourd’hui.

Pendant l’inflation, l’Univers s’étire jusqu’à atteindre des tailles énormes. Ce processus permet d’accomplir un nombre impressionnant de choses, parmi lesquelles :

• l’étirement de l’Univers observable, quelle que soit sa courbure initiale, jusqu’à ce qu’il soit impossible de le distinguer du plat,
• en prenant les conditions initiales qui existaient dans la région qui a commencé à se gonfler, et en les étendant à tout l’Univers visible,
• en créant de minuscules fluctuations quantiques et en les étendant à l’ensemble de l’Univers, de sorte qu’elles soient presque identiques à toutes les échelles de distance, mais légèrement plus petites à des échelles plus petites (lorsque l’inflation est sur le point de se terminer),
• convertir toute cette énergie de champ “inflationniste” en matière et rayonnement, mais seulement jusqu’à une température maximale bien inférieure à l’échelle de Planck (mais comparable à l’échelle d’énergie inflationniste),
• créant un spectre de fluctuations de densité et de température qui existent à des échelles plus grandes que l’horizon cosmique, et qui sont adiabatiques (d’entropie constante) et non isothermes (de température constante) partout.

Cela reproduit les succès du Big Bang chaud non inflationniste, fournit un mécanisme pour expliquer les conditions initiales du Big Bang, et fait une série de nouvelles prédictions qui diffèrent d’un début non inflationniste. À partir des années 1990 et jusqu’à aujourd’hui, les prédictions du scénario inflationniste concordent avec les observations, distinctes de celles du Big Bang chaud non inflationniste.

Le fait est qu’une quantité minimale d’inflation doit se produire pour reproduire l’Univers que nous voyons, ce qui signifie que l’inflation doit remplir certaines conditions pour réussir. Nous pouvons modéliser l’inflation comme une colline : tant que vous restez au sommet de la colline, vous gonflez, mais dès que vous descendez dans la vallée en contrebas, l’inflation prend fin et transfère son énergie en matière et en rayonnement.

Si vous faites cela, vous constaterez que certaines “formes de collines”, ou ce que les physiciens appellent des “potentiels”, fonctionnent et que d’autres ne fonctionnent pas. La clé pour que cela fonctionne est que le sommet de la colline doit être de forme suffisamment plate. En termes simples, si vous considérez le champ inflationniste comme une balle au sommet de cette colline, elle doit rouler lentement pendant la majeure partie de la durée de l’inflation, puis prendre de la vitesse et rouler rapidement lorsqu’elle entre dans la vallée, mettant ainsi fin à l’inflation. Nous avons quantifié la lenteur avec laquelle l’inflation doit rouler, ce qui nous renseigne sur la forme de ce potentiel. Tant que le sommet est suffisamment plat, l’inflation peut fonctionner comme une solution viable pour le début de notre Univers.

Mais maintenant, c’est là que les choses deviennent intéressantes. L’inflation, comme tous les champs que nous connaissons, doit être un champ quantique par sa nature même. Cela signifie que beaucoup de ses propriétés ne sont pas exactement déterminées, mais ont plutôt une distribution de probabilité. Plus le temps passe, plus cette distribution s’étend. Au lieu de faire dévaler une colline à une balle ponctuelle, nous faisons dévaler une colline à une fonction d’onde de probabilité quantique.

Simultanément, l’Univers se gonfle, ce qui signifie qu’il connaît une expansion exponentielle dans les trois dimensions. Si nous prenions un cube de 1 par 1 par 1 et l’appelions “notre Univers”, nous pourrions observer l’expansion de ce cube pendant l’inflation. S’il faut un temps minuscule pour que la taille de ce cube double, il devient alors un cube 2 x 2 x 2, qui nécessite 8 des cubes d’origine pour être rempli. Si l’on laisse s’écouler le même laps de temps, il devient un cube de 4 x 4 x 4, qui nécessite 64 cubes d’origine pour être rempli. Laissez à nouveau s’écouler ce temps, et il devient un cube de 8 par 8 par 8, avec un volume de 512. Après seulement environ ~100 “temps de doublement”, nous aurons un univers contenant environ 1090 cubes originaux.

Jusqu’ici, tout va bien. Maintenant, disons que nous avons une région où cette boule inflationniste et quantique roule dans la vallée. L’inflation s’arrête là, l’énergie du champ est convertie en matière et rayonnement, et ce que nous appelons un Big Bang chaud se produit. Cette région peut avoir une forme irrégulière, mais il faut qu’il y ait eu suffisamment d’inflation pour reproduire les succès observationnels que nous observons dans notre Univers.

La question est donc de savoir ce qui se passe en dehors de cette région.

Voici le problème : si vous exigez une inflation suffisante pour que notre Univers puisse exister avec les propriétés que nous observons, alors en dehors de la région où l’inflation se termine, l’inflation continuera. Si vous vous demandez “quelle est la taille relative de ces régions”, vous constatez que si vous voulez que les régions où l’inflation se termine soient suffisamment grandes pour être cohérentes avec les observations, alors les régions où elle ne se termine pas sont exponentiellement plus grandes, et la disparité s’aggrave au fil du temps. Même s’il existe un nombre infini de régions où l’inflation prend fin, il y aura une plus grande infinité de régions où elle persiste. De plus, les diverses régions où elle prend fin – où se produisent les Big Bangs chauds – seront toutes déconnectées causalement, séparées par d’autres régions d’espace en expansion.

En d’autres termes, si chaque Big Bang chaud se produit dans un Univers “bulle”, les bulles n’entrent tout simplement pas en collision. Au fur et à mesure que le temps passe, nous nous retrouvons avec un nombre de plus en plus grand de bulles déconnectées, toutes séparées par un espace qui se gonfle éternellement.

C’est ce qu’est le multivers, et c’est pourquoi les scientifiques acceptent son existence comme la position par défaut. Nous avons des preuves accablantes de l’existence du Big Bang chaud, et aussi que le Big Bang a commencé par un ensemble de conditions qui ne s’accompagnent pas d’une explication de facto. Si nous ajoutons une explication – l’inflation cosmique -, l’espace-temps en expansion qui a donné lieu au Big Bang fait son propre ensemble de prédictions inédites. Nombre de ces prédictions sont confirmées par l’observation, mais d’autres prédictions découlent également de l’inflation.

L’une d’entre elles est l’existence d’une myriade d’univers, de régions déconnectées ayant chacune leur propre Big Bang chaud, qui constituent ce que nous appelons un multivers lorsque nous les rassemblons tous. Cela ne signifie pas que les différents univers ont des règles, des lois ou des constantes fondamentales différentes, ou que tous les résultats quantiques possibles que vous pouvez imaginer se produisent dans une autre poche du multivers. Cela ne signifie même pas que le multivers est réel, car il s’agit d’une prédiction que nous ne pouvons ni vérifier, ni valider, ni falsifier. Mais si la théorie de l’inflation est bonne et que les données l’indiquent, un multivers est pratiquement inévitable.

Vous pouvez ne pas l’aimer, et vous pouvez vraiment ne pas aimer la façon dont certains physiciens abusent de l’idée, mais jusqu’à ce qu’une alternative meilleure et viable à l’inflation se présente, le multivers est là pour rester. Maintenant, au moins, vous comprenez pourquoi.

Lire aussi : Pourrions-nous vivre dans un multivers ? Certains physiciens pourraient en avoir la preuve

Source : Big Think – Traduit par Anguille sous roche