Pourquoi cet univers ? Peut-être qu’il n’est pas spécial – juste probable

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Les cosmologistes ont passé des décennies à essayer de comprendre pourquoi notre univers est si étonnamment vaniteux. Non seulement il est lisse et plat à perte de vue, mais il est également en expansion à un rythme toujours plus lent, alors que des calculs naïfs suggèrent qu’au sortir du Big Bang, l’espace aurait dû être froissé par la gravité et mis en pièces par l’énergie noire répulsive.

Pour expliquer la platitude du cosmos, les physiciens ont ajouté un premier chapitre dramatique à l’histoire cosmique : Ils proposent que l’espace se soit rapidement gonflé comme un ballon au début du Big Bang, aplanissant toute courbure. Et pour expliquer la douce croissance de l’espace après cette période initiale d’inflation, certains ont avancé que notre univers n’était qu’un univers parmi d’autres, moins hospitaliers, dans un multivers géant.

Mais deux physiciens viennent de bouleverser les idées reçues sur notre univers vanille. Poursuivant une ligne de recherche entamée par Stephen Hawking et Gary Gibbons en 1977, le duo a publié un nouveau calcul suggérant que la platitude du cosmos est attendue, plutôt que rare. Selon Neil Turok, de l’université d’Édimbourg, et Latham Boyle, du Perimeter Institute for Theoretical Physics de Waterloo, au Canada, notre univers est tel qu’il est pour la même raison que l’air se répand uniformément dans une pièce : Des options plus bizarres sont concevables mais extrêmement improbables.

L’univers “peut sembler extrêmement bien réglé, extrêmement improbable, mais…”. [they’re] Il est possible de dire, ‘Attendez une minute, c’est l’option préférée'”, a déclaré Thomas Hertog, un cosmologiste de l’Université catholique de Louvain en Belgique.

“Il s’agit d’une nouvelle contribution qui utilise des méthodes différentes de celles utilisées par la plupart des gens”, a déclaré Steffen Gielen, cosmologiste à l’Université de Sheffield au Royaume-Uni.

Cette conclusion provocante repose sur une astuce mathématique consistant à utiliser une horloge qui fonctionne avec des nombres imaginaires. En utilisant cette horloge imaginaire, comme l’a fait Hawking dans les années 70, Turok et Boyle ont pu calculer une quantité, appelée entropie, qui semble correspondre à notre univers. Mais l’astuce de l’horloge imaginaire est un moyen détourné de calculer l’entropie et, en l’absence d’une méthode plus rigoureuse, la signification de cette quantité reste très controversée. Alors que les physiciens s’interrogent sur l’interprétation correcte du calcul de l’entropie, beaucoup le considèrent comme une nouvelle balise sur la voie de la nature fondamentale, quantique, de l’espace et du temps.

“D’une certaine manière”, a déclaré Gielen, “cela nous donne une fenêtre pour peut-être voir la microstructure de l’espace-temps”.

Chemins imaginaires

Turok et Boyle, qui collaborent fréquemment, sont réputés pour leurs idées créatives et peu orthodoxes en matière de cosmologie. L’année dernière, pour étudier la probabilité de l’existence de notre univers, ils se sont tournés vers une technique développée dans les années 40 par le physicien Richard Feynman.

Cherchant à capturer le comportement probabiliste des particules, Feynman a imaginé qu’une particule explore toutes les routes possibles reliant le début à la fin : une ligne droite, une courbe, une boucle, ad infinitum. Il a imaginé un moyen d’attribuer à chaque chemin un nombre lié à sa probabilité et d’additionner tous les nombres. Cette technique d'”intégrale de chemin” est devenue un cadre puissant pour prédire le comportement le plus probable de tout système quantique.

Dès que Feynman a commencé à faire connaître l’intégrale de chemin, les physiciens ont repéré un lien curieux avec la thermodynamique, la vénérable science de la température et de l’énergie. C’est ce pont entre la théorie quantique et la thermodynamique qui a permis le calcul de Turok et Boyle.

Le physicien et cosmologiste sud-africain Neil Turok est professeur à l’Université d’Edimbourg.Photo : Gabriela Secara/Perimeter Institute

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