L’Univers pourrait être un ordinateur qui apprend

C’est une solution sauvage à un problème insoluble.

Un problème s’est avéré impossible pour les esprits les plus brillants de la physique.

Albert Einstein et Stephen Hawking – les physiciens les plus célèbres du vingtième siècle – ont tous deux passé des décennies à essayer de trouver une loi unique qui pourrait expliquer le fonctionnement du monde à l’échelle de l’atome et à l’échelle des galaxies. En bref, le modèle standard décrit la physique du très petit. La relativité générale décrit la physique du très grand. Le problème ? Les deux théories racontent des histoires différentes sur la nature fondamentale de la réalité. Einstein a décrit le problème il y a près d’un siècle dans sa conférence Nobel de 1923, en expliquant à l’auditoire qu’un physicien qui cherche “une théorie intégrée ne peut se contenter de supposer qu’il existe deux domaines distincts totalement indépendants l’un de l’autre par leur nature”. Même sur son lit de mort, Einstein a travaillé sur un moyen de réunir toutes les lois de la physique en une seule théorie unificatrice.

Hawking a fini par abandonner.

Aujourd’hui, Stephon Alexander, professeur de physique à l’université Brown, tente de relever le défi. Dans une préimpression qui n’a pas encore été examinée par des pairs, Alexander et plusieurs collaborateurs, dont le technologue Jaron Lanier et le physicien Lee Smolin, abordent le problème sous un angle légèrement différent. Au lieu de se concentrer sur les lois de la physique, ils se demandent pourquoi le monde physique est régi par certaines lois et pas par d’autres. Ils écrivent que si les physiciens n’ont pas “terminé cette tâche” de découvrir les lois de la physique, “nous semblons en savoir assez pour faire quelques pas vers la réponse à une question plus profonde”.

Le modèle standard et la relativité générale ont en fait beaucoup en commun

Ce que les physiciens savent, c’est que deux théories – le modèle standard et la théorie générale de la relativité d’Einstein – offrent des explications puissantes et empiriques de la physique aux échelles qu’elles sont censées expliquer. Il s’avère que ces théories partagent également certaines qualités mathématiques fondamentales.

Selon Alexander, elles reposent toutes deux sur des théories de jauge et des principes de symétrie, qui utilisent les mathématiques pour décrire la manière dont les objets peuvent se déplacer et interagir. Les chercheurs qui travaillent dans la tradition de la théorie des cordes se sont appuyés sur ces similitudes pour tenter d’unifier les deux théories en réimaginant certaines particules comme des objets unidimensionnels appelés cordes. Mais il y a un hic. Cette approche donne lieu à “une grande richesse de lois” qui sont mathématiquement possibles. Ce “multivers de théories”, comme l’appelle Alexander, comprend le modèle standard et la relativité générale – et beaucoup d’autres théories qui pourraient apparemment décrire notre monde physique, bien qu’elles existent à une échelle trop petite pour être testées.

Selon la théorie des cordes, les caractéristiques physiques, comme la masse ou la charge électrique d’un produit, sont le résultat de la façon dont la corde vibre dans de nombreuses dimensions, y compris de nombreuses dimensions hypothétiques qui existent à une très petite échelle, écrit Brain Greene dans Smithsonian. Déterminer la forme de ces dimensions serait essentiel pour comprendre comment ces cordes constituent la réalité physique, mais les mathématiques n’offrent pas de réponse claire. Si les premiers théoriciens des cordes ont identifié une poignée de formes possibles pour ces minuscules dimensions supplémentaires, la liste des formes mathématiquement possibles s’est étendue à des millions, puis à des milliards, et finalement à “des nombres si grands qu’ils n’ont jamais été nommés”, selon Greene.

“La théorie des cordes ne répond pas à la question du pourquoi”, a déclaré Alexander au New Scientist en septembre. “Il lui manque un mécanisme pour sélectionner lequel des 10500 univers possibles de la machine à sous est notre univers.”

Son idée est que le monde physique tel que nous le connaissons aujourd’hui n’est pas la seule vraie réalité, mais le résultat de nombreuses itérations de l’univers essayant un arrangement de lois qui n’a pas fonctionné. Selon Alexander, notre univers a probablement pris les caractéristiques de nombreux univers possibles. Il a fini par “se trouver dans une configuration… qui était stable” et lui a permis de “se construire de manière cohérente”.

Il compare ce processus d’essai, d’échec et de réessaie à une partie de jeu d’arcade avec un très gros sac de pièces de monnaie. “Si vous avez des [vies] infinies, vous jouez, vous mourez, vous jouez, vous continuez à jouer, vous mourez, mais vous pouvez continuer à jouer, n’est-ce pas ? Je pense que c’est un peu l’idée”, a-t-il déclaré.

L’univers est toujours capable de “continuer à essayer”. À cet égard, l’univers “apprend” ce qui fonctionne et ce qui ne fonctionne pas à mesure qu’il évolue. Comme l’univers n’a pas de professeur mais qu’il apprend ses leçons au fur et à mesure, les chercheurs l’appellent “autodidacte”.

La réponse pourrait être une “méta-loi” primordiale

Comment cela pourrait-il être possible ? La réponse d’Alexander est élégante : une “méta-loi” qui existait bien avant les lois de la physique que nous connaissons sous le nom de modèle standard et de relativité générale. C’est cette méta-loi qui contient la capacité d’essayer des choses et d’apprendre. Ce qui est déroutant, c’est que la méta-loi est l’univers lui-même, du moins à certains égards.

“Ce qui est bizarre ici, c’est que le matériel est le logiciel et que le logiciel est le matériel”, explique Alexander. La relativité générale et le modèle standard sont apparus plus tard, une fois que l’univers a trouvé la stabilité qu’il recherchait. Il compare l’idée à la théorie de l’évolution de Darwin.

“En biologie, il existait un problème du type ‘Pourquoi ces espèces ?’ : expliquer pourquoi les chiens et les chats existent alors que les licornes et les loups-garous n’existent pas”, écrivent les chercheurs dans leur préimpression. Ils expliquent que Darwin a introduit une poignée de principes régissant la vie en général, qui permettent de comprendre comment une espèce spécifique est apparue. Par exemple, l’idée que les espèces apparaissent parce que les individus qui sont bien adaptés à leur environnement ont plus de chances de transmettre des traits précieux à leur progéniture. La découverte de ce premier aperçu de ces principes sous-jacents a été une réussite gigantesque, mais ce n’était pas la fin de l’histoire. Les chercheurs ont passé 160 ans à compléter les détails, et ils n’ont toujours pas terminé.

Alexander et ses collègues ne prétendent pas avoir découvert l’équivalent physique de l’évolution. Ils décrivent leur contribution comme des “petits pas” vers une théorie complète. Pour Alexander, il était important de proposer une version formelle de la théorie afin de voir si elle résiste à l’examen d’autres physiciens théoriciens et au travail empirique des expérimentateurs.

“Nous devons nous engager sur quelque chose afin de pouvoir jouer et essayer de faire des calculs et d’explorer l’idée”, a-t-il déclaré.

Comment fonctionnerait un univers autodidactique ?

L’idée que l’univers a évolué selon d’autres règles n’est pas totalement nouvelle. Le philosophe Charles Sanders Pierce a appliqué les principes de la sélection naturelle à la cosmologie en 1893, moins de quarante ans après la publication de “L’origine des espèces”. Alexander et ses collègues se sont inspirés des progrès de la physique théorique, de l’informatique et de la philosophie des sciences pour affirmer de manière beaucoup plus audacieuse que l’univers apprend ses lois et ne se contente pas d’évoluer pour mieux s’adapter à son environnement.

L’argument repose sur trois éléments fondamentaux : les modèles matriciels, les théories de jauge quantique et les machines d’apprentissage.

L’équipe est partie de l’idée que les théories de la physique pouvaient être comprises comme des modèles matriciels. En d’autres termes, les théories peuvent être écrites sous forme d’équations ou être justifiées par des tableaux de chiffres comportant des milliards de colonnes et de lignes. Une matrice aussi vaste pourrait contenir toutes les lois possibles qui pourraient régir l’univers. Des idées issues de l’informatique éclairent la voie à partir de là.

“Les mathématiques de la théorie des matrices semblent avoir certains des ingrédients d’un type particulier de réseau neuronal”, a déclaré Alexander dans une interview au New Scientist.

“Peut-être y a-t-il des entrées et des sorties, et l’univers ajuste les poids de telle sorte qu’il finit par apprendre le modèle standard… et la gravité”, a-t-il déclaré à Interesting Engineering. “C’est l’idée de base.” Ici, le terme “poids” fait référence aux relations mathématiques spécifiques qui déterminent comment les entrées qui entrent dans un réseau neuronal sont transformées pour générer ses sorties.

Si Alexander a raison, nous, les humains, ne sommes presque certainement pas en mesure de voir tout ce que l’univers a appris. “Il y a peut-être d’autres coins de l’univers où d’autres choses intéressantes se sont produites qui sont complètement radicales de notre point de vue”, a-t-il déclaré, soulignant qu’il n’y a aucune raison de penser que l’univers avait une préférence pour apprendre les lois qui ont permis l’émergence de la vie et de la conscience.

“En ce qui me concerne, cela faisait partie de l’évolution”, a-t-il dit. “C’est nous qui prétendons que c’est génial.”

La confirmation de la théorie autodidactique de l’univers n’exclurait pas nécessairement la possibilité d’une théorie du tout telle qu’Einstein ou Hawking ont pu l’imaginer, mais elle soulignerait définitivement la conviction d’Alexander que les physiciens devraient explorer des idées qui vont bien au-delà des limites traditionnelles. Les réponses à ces questions ne se trouvent peut-être pas dans ce que nous considérons actuellement comme de la “physique”.

Selon Greene, l’observation directe des cordes nécessiterait un accélérateur de particules “de la taille de la galaxie”. L’espoir d’Alexander, qu’il détaille dans son nouveau livre, Fear of a Black Universe: An outsider’s guide to the future of physics, est plus modeste – mais loin d’être garanti. “Les experts devraient s’engager dans l’exploration avec des personnes d’autres domaines.”

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Source : Interesting Engineering – Traduit par Anguille sous roche