La théorie finale du professeur Stephen Hawking sur l’origine de l’univers, sur laquelle il a travaillé en collaboration avec le professeur Thomas Hertog de la KU Leuven, a été publiée en 2018 dans la revue. Journal of High Energy Physics.
La théorie, qui a été soumise pour publication avant la mort de Hawking plus tôt en 2018, est basée sur la théorie des cordes et prédit que l’univers est fini et beaucoup plus simple que ce que disent de nombreuses théories actuelles sur le big bang.
Le professeur Hertog, dont le travail a été soutenu par le Conseil européen de la recherche, a annoncé pour la première fois la nouvelle théorie lors d’une conférence à l’Université de Cambridge en juillet 2017, organisée à l’occasion du 75e anniversaire du professeur Hawking.
Les théories modernes du big bang prédisent que notre univers local est né d’une brève poussée d’inflation – en d’autres termes, une minuscule fraction de seconde après le big bang lui-même, l’univers s’est étendu à un rythme exponentiel. Cependant, il est communément admis qu’une fois l’inflation commencée, elle ne s’arrête jamais dans certaines régions. On pense que les effets quantiques peuvent faire perdurer l’inflation dans certaines régions de l’univers, de sorte que, globalement, l’inflation est éternelle. La partie observable de notre univers ne serait alors qu’un univers de poche hospitalier, une région dans laquelle l’inflation a pris fin et où les étoiles et les galaxies se sont formées.
“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 gonflant”, a déclaré Hawking dans une interview en 2017. “Les lois locales de la physique et de la chimie peuvent différer d’un univers de poche à un autre, qui ensemble formeraient 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. “
Dans leur article, Hawking et Hertog affirment que ce compte rendu de l’inflation éternelle comme théorie du big bang est erroné. “Le problème avec le compte habituel de l’inflation éternelle est qu’il suppose un univers de fond existant qui évolue selon la théorie de la relativité générale d’Einstein et traite les effets quantiques comme de petites fluctuations autour de celui-ci”, a déclaré Hertog. “Cependant, la dynamique de l’inflation éternelle efface la séparation entre la physique classique et la physique quantique. En conséquence, la théorie d’Einstein s’effondre dans l’inflation éternelle.”
“Nous prédisons que notre univers, aux plus grandes échelles, est raisonnablement lisse et globalement fini. Il ne s’agit donc pas d’une structure fractale”, a déclaré Hawking.
La théorie de l’inflation éternelle avancée par Hawking et Hertog est basée sur la théorie des cordes : une branche de la physique théorique qui tente de réconcilier la gravité et la relativité générale avec la physique quantique, en partie en décrivant les constituants fondamentaux de l’univers comme de minuscules cordes vibrantes. Leur approche utilise le concept d’holographie de la théorie des cordes, qui postule que l’univers est un hologramme vaste et complexe : la réalité physique dans certains espaces 3D peut être mathématiquement réduite à des projections 2D sur une surface.
Hawking et Hertog ont développé une variation de ce concept d’holographie pour projeter la dimension temporelle dans l’inflation éternelle. Cela leur a permis de décrire l’inflation éternelle sans avoir à s’appuyer sur la théorie d’Einstein. Dans la nouvelle théorie, l’inflation éternelle est réduite à un état intemporel défini sur une surface spatiale au début du temps.
“Lorsque nous retraçons l’évolution de notre univers en remontant le temps, nous arrivons à un moment donné au seuil de l’inflation éternelle, où notre notion familière du temps cesse d’avoir un sens”, a déclaré Hertog.
La précédente “théorie sans frontières” de Hawking prévoyait que si l’on remonte dans le temps jusqu’au début de l’univers, celui-ci se rétrécit et se referme comme une sphère, mais cette nouvelle théorie représente un pas en avant par rapport aux travaux antérieurs. “Maintenant, nous disons qu’il y a une frontière dans notre passé”, a déclaré Hertog.
Hertog et Hawking ont utilisé leur nouvelle théorie pour dériver des prédictions plus fiables sur la structure globale de l’univers. Ils ont prédit que l’univers qui émerge de l’inflation éternelle sur la frontière du passé est fini et beaucoup plus simple que la structure fractale infinie prédite par l’ancienne théorie de l’inflation éternelle.
Leurs résultats, s’ils sont confirmés par d’autres travaux, auraient des implications de grande portée pour le paradigme des multivers. “Nous ne sommes pas réduits à un seul univers unique, mais nos résultats impliquent une réduction significative du multivers, à une gamme beaucoup plus réduite d’univers possibles”, a déclaré Hawking.
Cela rend la théorie plusprédictif et testable.
Hertog prévoit maintenant d’étudier les implications de la nouvelle théorie à des échelles plus petites qui sont à la portée de nos télescopes spatiaux. Il pense que l’énergie primordiale ondes gravitationnelles – ondulations dans l’espace-temps – générées à la sortie de l’inflation éternelle constituent le “pistolet fumant” le plus prometteur pour tester le modèle. L’expansion de notre univers depuis le début signifie que ces ondes gravitationnelles auraient de très grandes longueurs d’onde, en dehors de la gamme des ondes gravitationnelles actuelles. LIGO détecteurs actuels. Mais elles pourraient être entendues par l’observatoire spatial européen des ondes gravitationnelles, LISA, ou observées par les futures expériences de mesure du fond diffus cosmologique.
Référence : ” Une sortie en douceur de l’inflation éternelle ? ” par S. W. Hawking et Thomas Hertog, 27 avril 2018, Journal of High Energy Physics (en anglais)..
DOI : 10.1007/JHEP04(2018)147
