Les hallucinants « cerveaux de Boltzmann »

Certains "cerveaux de Boltzmann" existent-ils déjà dans notre univers ?

« Le vivant, lorsqu’il a atteint sa forme achevée, aime à se recourber. S’il se recourbe et se tourne en même temps dans un serpentement, il en résulte grâce et beauté ».

Goethe – Fossiler Stier

Vous aves eu l’occasion de le constater en lisant notre premier roman : « Cathédrales de brume », nous aimons « prendre de la hauteur » et nous immiscer au sein des arcanes les plus secrets d’un univers qui nous échappe encore…

En mettant en lumière la théorie des « cerveaux de Boltzmann » nous poursuivons cette démarche visant à défricher ce qui se passe au-delà des fragiles et bien incertaines frontières du visible.

Dans le cas des « cerveaux de Boltzmann », il s’agit d’une hypothèse selon laquelle les fluctuations de l’énergie du vide pourraient faire apparaître de façon aléatoire des « observateurs » dits Boltzmann Brains, lesquels pourraient venir en concurrence avec les observateurs humains dans l’observation de l’univers. Le concept de « cerveau de Boltzmann », ou « paradoxe du cerveau de Boltzmann » (qu’il ne faut pas confondre avec le concept de machine de Boltzmann désignant un type de réseaux de neurones) a été développé récemment à partir d’une intuition déjà ancienne due à Ludwig Boltzmann (1844-1906).

Un cerveau de Boltzmann serait une entité consciente née d’une fluctuation aléatoire provenant d’un état fondamental de chaos thermique. Boltzmann avait cherché à comprendre pourquoi nous observons un haut degré d’organisation dans l’univers (ou bas niveau d’entropie) alors que la seconde loi de la thermodynamique professe que l’entropie devrait augmenter sans cesse. Rappelons que l’expression « entropie » définit un niveau de désordre.

Dans ce cas, l’état le plus probable de l’univers devrait être proche de l’uniformité, dépourvu d’ordre et présentant par conséquent une entropie élevée.

Boltzmann avait formulé l’hypothèse selon laquelle nous-mêmes et notre univers serions les résultats de fluctuations se produisant au hasard au sein d’un univers à entropie élevée. Même au sein d’un état proche de l’équilibre, on ne peut exclure de telles fluctuations dans le niveau de l’entropie. Les plus fréquentes seraient relativement petites et ne produiraient que de bas niveau d’organisation. Mais occasionnellement, et de façon de plus en plus improbable en fonction de l’élévation du niveau d’organisation, des entités plus organisées pourraient apparaître.

Pourquoi n’en observons-nous pas davantage ? Parce que vu les dimensions considérables de l’univers ces entités hautement organisées sont très rares à notre échelle d’espace-temps.

De plus, par un effet de « sélection », nous ne voyons que le type d’univers hautement improbable qui nous a donné naissance, et non d’autres éventuellement différents.

Il s’agit là de l’application du principe anthropique faible. Et ceci conduit au concept de « cerveau de Boltzmann ».

Si le niveau d’organisation de notre univers, comportant de nombreuses entités conscientes, est le résultat d’une fluctuation au hasard, son émergence est bien moins probable que celle de niveaux d’organisation moins élevés, seulement capables de générer une seule entité consciente, elle-même plutôt rustique.

Ces entités devraient donc être d’autant plus nombreuses que serait élevée la probabilité de leur apparition. Ainsi devraient exister des millions de cerveaux de Boltzmann isolés flottant dans des univers faiblement organisés. Il ne s’agirait pas nécessairement de cerveaux tels que nous les connaissons, mais seulement de structures suffisamment organisées capables de jouer le rôle d’observateurs tels que le sont les humains quand ils observent leur univers.

C’est ici que l’on rejoint la cosmologie.

Celle-ci postule que ce que nous observons donne naissance aux lois de la physique et s’applique à l’univers tout entier. Dans la physique « réaliste », l’univers « en soi », existant indépendamment des observateurs, est donc conforme à ce que nous observons. Prenant en compte la relation entre l’observateur et l’observé introduite par la physique quantique, nous dirions que ce que nous observons décrit un certain type de relations entre l’observateur et l’observé, typique de l’univers tel qu’il nous apparaît. Si nous retenons l’hypothèse constructiviste développée par certains physiciens quantiques, nous supposerons que ce que nous observons décrit un univers créé par la relation entre l’observateur que nous sommes et l’observé que nos instruments nous permettent de caractériser.

Dans tous les cas, la position unique d’observateur qui est la nôtre devrait nous permettre d’affirmer que l’univers tel que nous l’observons est lui-même unique.

Ce ne serrait plus le cas si, conformément à l’hypothèse des cerveaux de Boltzmann, il existait des myriades d’observateurs observant un univers plus global que celui que nous observons. Ceux-ci pourraient être si nombreux, dans un futur de plusieurs milliards d’années, qu’ils nous remplaceraient en tant qu’observateurs. L’univers que nous avons cru pouvoir décrire perdrait ainsi toute pertinence.

Des visions du cosmos profondément différentes de celles que nous en avons pourraient remplacer la nôtre. Il ne s’agirait d’ailleurs pas de simples visions virtuelles mais en fait d’univers différents qui se substitueraient au nôtre, si l’on retient bien sûr l’hypothèse que les univers naissent de l’interaction entre observé et observateur.

Ce constat dérangeant rappelle étrangement les « cathédrales de brume » amoureusement façonnées par notre héros…

Selon Andreï Linde de l’Université de Stanford, ce ne sont plus des fluctuations dans le niveau d’entropie qui généreraient des « cerveaux de Boltzmann », mais des fluctuations dans la force répulsive, qualifiée d’énergie noire, constante cosmologique ou « énergie du vide ».

Il est à peu près admis que le vide quantique fluctue sans cesse puisque les « particules » qui le peuplent ne peuvent être au repos. Il peut en émerger de façon aléatoire des couples de particules-antiparticules qui s’annihilent, mais aussi des photons voire des atomes qui interagissent avec la matière ordinaire.

Rien n’interdit de penser alors que, sur une durée de temps suffisante, puisse se produire une émergence d’objets plus complexes.

La probabilité d’apparition d’une entité consciente répondant aux caractéristiques du « cerveau de Boltzmann » serait si faible qu’aucune d’entre elles, dit-on, n’aurait eu la chance de se matérialiser pendant les 13,7 milliards d’années correspondant à l’histoire de notre univers. Mais si celui-ci s’étend indéfiniment sous la pression de l’énergie noire, sa durée de vie s’étend elle-même sans limites et les chances de voir apparaître des « cerveaux de Boltzmann » augmentent considérablement.

Ces « cerveaux » n’observeraient plus un univers tel que nous connaissons, mais des espaces uniformes, froids et noirs, inhospitaliers pour nos formes de vie.

Pour de nombreux cosmologistes, l’hypothèse des « cerveaux de Boltzmann » mérite d’être approfondie car elle est compatible avec plusieurs théories souvent liées à la Théorie des cordes : l’inflation, la théorie des « bébés-univers » et celle -plus radicale encore et que nous affectionnons- d’un « multivers » protéiforme aux ramifications infinies.

Faudra-t-il attendre des milliards de siècles avant de voir apparaître ces étonnants « cerveaux de Boltzmann » ?

Pas sûr… En effet, plusieurs « cerveaux de Boltzmann », incorporés à des ensembles d’atomes plus ou moins organisés, auraient déjà pu apparaître dans notre monde à partir de l’énergie du vide. Certains d’entre eux se sont peut-être développés dans des parties de l’univers que nous ne connaissons pas ou que nous ne connaîtrons jamais, compte tenu de l’expansion.

Pourquoi, de la même façon, ne pas faire l’hypothèse que l’intelligence des systèmes biologiques puisse être née d’une émergence de cette nature. Dans cette même ligne de conjectures, nous ne pouvons pas exclure la possibilité de voir un « cerveau de Boltzmann » se matérialiser dans notre monde sous une forme et dans des circonstances que nous n’aurions évidemment pas pu prévoir, alors qu’il ne s’agirait que d’une manifestation banale du monde quantique sous-jacent, monde dont nous ne connaissons encore pratiquement rien.

Certaines hypothèses pourraient utilement être rapprochées de celle des « cerveaux de Boltzmann ». C’est le cas, par exemple, du « darwinisme quantique ».

Pour résumer ce surprenant darwinisme à l’échelle des mondes microscopiques et macroscopiques on peut le synthétiser ainsi : des bulles d’univers dotées de temps et d’espace locaux, sont aléatoirement créées à partir du vide quantique. Certaines sont annihilées, d’autres se développent.

Dans cette hypothèse, notre univers a été le produit d’une de ces fluctuations.  Une particule quantique aurait vu sa fonction d’onde réduite et se serait retrouvée sous la forme d’une particule matérielle ou macroscopique dont les propriétés auraient été favorables à la création de particules plus complexes par « observation » du monde quantique environnant. Des décohérences et des computations en chaîne en auraient résulté, d’où seraient sortis le monde que nous connaissons et les lois d’organisation des objets physiques, biologiques et même mentaux qui régulent son développement.

Dans l’hypothèse du « darwinisme quantique », les décohérences en chaînes se seraient produites à partir de l’ « observation » des entités quantiques fondamentales qu’aurait réalisé une première particule matérialisée.

On comprend mieux les pouvoirs générateurs de cette observation si, à la place d’une particule unique, on imagine un « cerveau de Boltzmann », c’est-à-dire un observateur disposant déjà d’une organisation matérielle complexe. Ce « cerveau de Boltzmann » en position d’observateur aurait généré de ce fait notre univers actuel, régulé par les lois que nous connaissons. Et ceci depuis le tout premier instant du big bang !

Voilà assurément une piste de réflexion transgressive et féconde…

Si vous désirez en savoir plus, l’un des articles récents d’Andreï Linde : « Sinks in the landscape, Boltzmann brains and the cosmological constant problem » répondra à toutes vos interrogations.