Par Thomas Hertog, professeur de physique, KU Leuven
C’est en 1998 que le physicien Stephen Hawking, aujourd’hui décédé, m’a demandé de travailler avec lui à l’élaboration d’une « nouvelle théorie quantique du Big Bang ». Ce qui a commencé comme un projet de doctorat a évolué pendant une vingtaine d’années en une collaboration intense qui n’a pris fin qu’avec son décès le 14 mars 2018.
L’énigme au centre de nos recherches pendant toute cette période était de savoir comment le Big Bang avait pu créer des conditions si parfaitement hospitalières pour la vie. Notre réponse est publiée dans un nouveau livre, On the Origin of Time : Stephen Hawking’s Final Theory (L’origine du temps : la théorie finale de Stephen Hawking).
Les questions sur l’origine ultime du cosmos, ou de l’univers, sortent la physique de sa zone de confort. Pourtant, c’est exactement là que Hawking aimait s’aventurer. La perspective – ou l’espoir – de percer l’énigme de la conception cosmique a motivé une grande partie des recherches de Hawking en cosmologie. « Aller hardiment là où Star Trek craint de poser le pied » était sa devise – et aussi son économiseur d’écran.
Notre quête scientifique commune nous a inévitablement rapprochés. En le côtoyant, on ne pouvait manquer d’être influencé par sa détermination et son optimisme quant à la possibilité de s’attaquer à des questions mystificatrices. Il m’a donné l’impression que nous étions en train d’écrire l’histoire de notre propre création, ce qui, en un sens, était le cas.
Autrefois, on pensait que la conception apparente du cosmos signifiait qu’il devait y avoir un concepteur – un Dieu. Aujourd’hui, les scientifiques se réfèrent plutôt aux lois de la physique.
Ces lois possèdent un certain nombre de propriétés étonnantes qui facilitent la vie. Prenons par exemple la quantité de matière et d’énergie dans l’univers, les rapports délicats entre les forces ou le nombre de dimensions spatiales.
Les physiciens ont découvert que si l’on modifie légèrement ces propriétés, l’univers devient inanimé. On a presque l’impression que l’univers est figé, même s’il est très grand.
Mais d’où viennent les lois de la physique ? D’Albert Einstein à Hawking dans ses premiers travaux, la plupart des physiciens du XXe siècle considéraient les relations mathématiques qui sous-tendent les lois physiques comme des vérités éternelles.
De ce point de vue, la conception apparente du cosmos est une question de nécessité mathématique. L’univers est tel qu’il est parce que la nature n’avait pas le choix.
Au tournant du 21e siècle, une autre explication est apparue. Nous vivons peut-être dans un multivers, un espace gigantesque qui engendre une mosaïque d’univers, chacun avec son propre Big Bang et sa propre physique. Statistiquement, il serait logique que quelques-uns de ces univers soient propices à la vie.
Cependant, ces réflexions sur les multivers ont rapidement été prises dans une spirale de paradoxes et n’ont pas donné lieu à des prédictions vérifiables.
La cosmologie sens dessus dessous
Peut-on faire mieux ? Oui, Hawking et moi l’avons découvert, mais seulement en abandonnant l’idée, inhérente à la cosmologie des multivers, que nos théories physiques peuvent adopter une vue de Dieu, comme si elles se tenaient à l’extérieur de l’ensemble du cosmos.
C’est un point évident et apparemment tautologique : la théorie cosmologique doit tenir compte du fait que nous existons dans l’univers. « Nous ne sommes pas des anges qui regardent l’univers de l’extérieur », m’a dit Hawking. « Nos théories ne sont jamais dissociées de nous ».
Nous avons entrepris de repenser la cosmologie du point de vue de l’observateur. Pour ce faire, nous avons dû adopter les règles étranges de la mécanique quantique, qui régit le micromonde des particules et des atomes.
Selon la mécanique quantique, les particules peuvent se trouver à plusieurs endroits possibles en même temps – une propriété appelée superposition. Ce n’est que lorsqu’une particule est observée qu’elle choisit (au hasard) une position définie. La mécanique quantique implique également des sauts et des fluctuations aléatoires, tels que des particules qui surgissent d’un espace vide et disparaissent à nouveau.
Dans un univers quantique, un passé et un futur tangibles émergent donc d’un brouillard de possibilités par le biais d’un processus continu d’observation. Ces observations quantiques n’ont pas besoin d’être effectuées par des humains. L’environnement ou même une simple particule peut « observer ».
D’innombrables actes d’observation quantique transforment constamment ce qui pourrait être en ce qui se produit, ce qui renforce l’existence de l’univers. Une fois que quelque chose a été observé, toutes les autres possibilités n’ont plus lieu d’être.
Nous avons découvert qu’en examinant les premiers stades de l’univers à travers une lentille quantique, il existe un niveau d’évolution plus profond dans lequel même les lois de la physique changent et évoluent, en synchronisation avec l’univers en train de prendre forme. De plus, cette méta-évolution a une saveur darwinienne.
La variation intervient parce que les sauts quantiques aléatoires provoquent de fréquentes excursions par rapport à ce qui est le plus probable. La sélection intervient parce que certaines de ces excursions peuvent être amplifiées et figées, grâce à l’observation quantique.
L’interaction entre ces deux forces concurrentes – la variation et la sélection – dans l’univers primitif a produit un arbre ramifié de lois physiques.
Il en résulte une révision profonde des principes fondamentaux de la cosmologie. Les cosmologistes commencent généralement par supposer que les lois et les conditions initiales existaient au moment du Big Bang, puis examinent comment l’univers actuel a évolué à partir de ces lois et conditions. Mais nous suggérons que ces lois sont elles-mêmes le résultat d’une évolution.
Les dimensions, les forces et les espèces de particules se transmutent et se diversifient dans la fournaise du Big Bang – un peu comme les espèces biologiques émergent des milliards d’années plus tard – et acquièrent leur forme effective au fil du temps.
De plus, le caractère aléatoire de cette évolution signifie que le résultat de cette évolution – l’ensemble spécifique de lois physiques qui fait de notre univers ce qu’il est – ne peut être compris que rétrospectivement.
Dans un certain sens, l’univers primitif était une superposition d’un très grand nombre de mondes possibles. Mais nous observons l’univers aujourd’hui, à une époque où les êtres humains, les galaxies et les planètes existent. Cela signifie que nous voyons l’histoire qui a conduit à notre évolution.
Nous observons des paramètres avec des « valeurs chanceuses ». Mais nous avons tort de penser qu’ils ont été conçus d’une manière ou d’une autre ou qu’ils ont toujours été ainsi.
Le problème du temps
Le point essentiel de notre hypothèse est que, si l’on raisonne en remontant le temps, l’évolution vers plus de simplicité et moins de structure se poursuit tout au long du chemin. En fin de compte, même le temps et, avec lui, les lois physiques s’effacent.
Ce point de vue est particulièrement étayé par la forme holographique de notre théorie. Le « principe holographique » en physique prédit que, tout comme un hologramme semble avoir trois dimensions alors qu’il est en fait codé en deux dimensions seulement, l’évolution de l’univers entier est codée de la même manière sur une surface abstraite et intemporelle.
Hawking et moi-même considérons le temps et la causalité comme des « qualités émergentes », qui n’ont pas d’existence préalable mais qui résultent des interactions entre d’innombrables particules quantiques. C’est un peu comme si la température émergeait du mouvement collectif de nombreux atomes, même si aucun atome n’a de température.
On peut remonter le temps en faisant un zoom arrière et en regardant l’hologramme d’une manière plus floue. Cependant, on finit par perdre toutes les informations encodées dans l’hologramme. C’est l’origine du temps, le Big Bang.
Depuis près d’un siècle, nous étudions l’origine de l’univers dans le contexte stable des lois immuables de la nature. Mais notre théorie lit l’histoire de l’univers de l’intérieur et comme une histoire qui inclut, dans ses premiers stades, la généalogie des lois physiques. Ce ne sont pas les lois en tant que telles, mais leur capacité de transmutation qui a le dernier mot.
Les futures observations cosmologiques pourraient en apporter la preuve. Par exemple, des observations précises des ondes gravitationnelles – des ondulations dans le tissu de l’espace-temps – pourraient révéler des signatures de certaines des premières branches de l’univers. Si elle est repérée, la finale cosmologique de Hawking pourrait bien s’avérer être son plus grand héritage scientifique.
Thomas Hertog, professeur de physique, KU Leuven
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