La théorie finale du professeur Stephen Hawking sur l’origine de la physique de l’Univers

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La théorie du professeur Stephen Hawking sur le Big Bang, sur laquelle il a travaillé en collaboration avec le professeur Thomas Hertog de la Katholieke Universiteit Leuven, a été publiée cette semaine dans le Journal of High-Energy Physics (préimpression arXiv.org).

Professeur Stephen Hawking.

Professeur Stephen 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 développé à un rythme exponentiel.

Cependant, il est généralement admis qu’une fois l’inflation commencée, il existe des régions où elle ne s’arrête jamais. On pense que les effets quantiques peuvent maintenir l’inflation à jamais 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”, expliquait le professeur Hawking dans une interview à l’automne dernier.

“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.”

Dans leur nouvel article, le professeur Hawking et le professeur Hertog affirment que ce compte rendu de l’inflation éternelle en tant que théorie du Big Bang est faux.

“Le problème avec le récit 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 le professeur 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 le professeur Hawking.

La théorie de l’inflation éternelle avancée par l’équipe 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.

Le professeur Hawking et le professeur Hertog ont développé une variante 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 le professeur Hertog.

La précédente “théorie sans frontières” du professeur Hawking prévoyait que si l’on remontait dans le temps jusqu’au début de l’Univers, celui-ci se rétrécissait et se refermait 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 le professeur Hertog.

Les physiciens 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 du 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 petite d’univers possibles”, a déclaré le professeur Hawking.

Cela rend la théorie plus prédictive et vérifiable.

Le professeur 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 croit queque les ondes gravitationnelles primordiales 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, hors de portée des détecteurs LIGO 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.

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