Inflation éternelle et multivers

La fin de notre premier roman : « Cathédrales de brume », met en lumière l’une des plus extraordinaire théorie née au cœur de la gravitation quantique : l’inflation éternelle et l’existence d’un multivers dont notre propre univers n’est qu’une parcelle ; un brimborion.

Se situant à la frontière imprécise séparant science et métaphysique, cette théorie nous fascine et nous en développons certains prolongements dans notre conte onirique.

Afin d’apporter d’utiles précisions, nous citons intégralement un article publié dans www.larecherche.fr qui reprend une interview du concepteur de cette théorie : Andreï Linde (Stanford University). Cette « inflation éternelle » est présentée aussi par d’illustres astrophysiciens et spécialistes de la gravitation quantique. On peut citer : Alan Guth, Paul Steinhardt et Alexander Vilenkin.

Voilà cet article paru il y a déjà quelques années :

Quelques instants après le Big Bang, l’Univers aurait connu une phase d’expansion exponentielle, l’inflation. Après vingt-cinq années de controverses, ce concept est aujourd’hui accepté par de nombreux cosmologistes. Andrei Linde, un des pères de cette théorie, va plus loin. Il inclut cet épisode dans l’histoire d’un univers éternel et sans doute infini.

La Recherche : Les cosmologistes viennent de célébrer les 25 ans de la théorie de l’inflation. Revenons en arrière. Quel était son fondement ?

Andrei Linde : À la fin des années 1970, la plupart des cosmologistes acceptaient la théorie du Big Bang dans son modèle standard. L’Univers avait été, dans le passé, incroyablement chaud et dense. Il s’était progressivement étendu et refroidi, les galaxies s’étaient formées, puis, quelques milliards d’années après, nous étions apparus. Plusieurs preuves étayaient ce scénario : les galaxies se fuient les unes les autres d’autant plus vite qu’elles sont éloignées comme dans un Univers en expansion ; le rayonnement de fond cosmologique émis 380 000 ans après le Big Bang avait été observé en 1965 par Arno Penzias et Robert Wilson ; les proportions prédites des différents éléments légers dans l’Univers correspondaient aux observations. Pourtant il y avait plusieurs questions sur lesquelles la théorie restait muette.

La Recherche : Quels étaient ces problèmes ?

Andrei Linde : Le premier était l’existence même de ce moment de Big Bang. C’est une singularité, un point impossible à atteindre, car certains termes des équations deviennent infinis. Et au cas où ce moment aurait existé, qu’y avait-il donc avant ? Comment quelque chose pouvait-il se former à partir de rien ? Un point d’autant plus crucial que la quantité d’énergie nécessaire à cette explosion était étonnamment très grande, puisque c’est celle de 1085 grammes de matière. Sa densité était vraiment énorme puisque cette énergie était comprimée dans un volume de moins d’un centimètre cube.

Une autre difficulté était liée à la géométrie de l’Univers. Elle apparaissait plate, à l’instar de celle d’un espace dans lequel les parallèles ne se coupent jamais. Il s’agit là d’un cas particulier entre un espace à courbure positive, où les parallèles se rencontrent tels les méridiens sur le Globe terrestre, et un espace à courbure négative que l’on peut visualiser comme une selle de cheval où les parallèles divergent. Or, les scientifiques n’aiment pas les cas particuliers…

Ce n’est pas tout. Si le Big Bang a eu lieu, pourquoi les différentes parties de l’Univers se sont-elles étendues au même moment ? Comment ont-elles communiqué si elles étaient séparées par une distance supérieure à celle que la lumière avait pu parcourir ? Et d’une façon si homogène ! Cette homogénéité, étrange, était même devenue un principe cosmologique. L’Univers se devait d’être homogène. Tous ces problèmes faisaient, en définitive, vaciller l’édifice entier du Big Bang. Quelque chose n’allait pas.

La Recherche : Qui a répondu à ces questions ?

Andrei Linde : Toute une communauté de cosmologistes et de physiciens des particules se penche aujourd’hui sur le sujet. Tout a commencé à la fin des années 1970, alors que l’Américain Alan Guth, du Massachusetts Institute of Technology, travaillait sur les monopoles magnétiques. Ce sont des particules, 1016 fois plus lourdes que le proton, qui auraient émergé très tôt après le Big Bang. Elles devraient être aussi abondantes que les protons. Dans ce cas, la densité moyenne de la matière dans l’Univers devrait être 1015 fois plus importante que les 10-29 gramme par centimètre cube observés en moyenne. Alan Guth imagina alors la survenue d’une phase d’accélération foudroyante de l’expansion de l’Univers, qui aurait dilué ces monopoles avant que les protons n’existent [1] . J’ai montré que cela résolvait la question de l’homogénéité à grande échelle, la platitude de la structure de l’espace-temps et la raison pour laquelle deux particules, séparées aujourd’hui de plus de 13,7 milliards d’années-lumière (soit la distance parcourue par la lumière durant l’âge de l’Univers), pouvaient avoir été en contact lors des premiers instants [2] .

La Recherche : Sur quels éléments mathématiques repose la théorie ?

Andrei Linde : L’inflation repose sur l’existence d’une très étrange forme de matière, un champ scalaire comme il y en a dans de nombreuses théories de physique des particules. Ce n’est pas un champ de vecteurs, tels un champ magnétique ou une carte des vents, mais un champ de nombres comme une carte des températures. Ce champ scalaire a une énergie que l’on peut associer à l’énergie du vide quantique. Il faut la prendre en compte dans les équations au même titre que le rayonnement électromagnétique et l’énergie de la matière. Dans les premières phases de l’expansion de l’Univers, la force de ce champ scalaire a diminué beaucoup moins vite que le champ de gravitation. Plus le temps passait, plus la différence était grande. Alors que l’Univers s’étendait, la force de ce champ scalaire total a augmenté exponentiellement puisque l’énergie totale est conservée en chaque point.

Dans la théorie standard du Big Bang, l’énergie de la matière diminue au cours de l’expansion, et l’énergie de la gravitation, qui est négative, augmente. L’expansion décélère progressivement. En revanche, avec le champ scalaire qui est toujours présent et prend même de plus en plus d’importance, l’expansion accélère exponentiellement. C’est l’inflation.

La Recherche : Quand s’est-elle produite ?

Andrei Linde : Il y a de nombreux modèles d’inflation. Tous situent ce moment vers 10-35 seconde après le Big Bang. Cette phase ne peut pas durer longtemps. Elle s’arrête, car le champ scalaire ne peut pas diminuer indéfiniment. Il se stabilise lorsqu’il atteint un minimum d’énergie qui n’est pas nul et se transforme en champ de particules. L’expansion reprend ensuite un rythme normal comme dans la théorie standard du Big Bang. Mais l’Univers n’a alors plus du tout la même taille. Dans les modèles d’inflation les plus simples, cette taille dépasse 10100 000 centimètres. C’est énorme quand on la compare à la partie observable de l’Univers, qui est de 1028 centimètres. C’est pourquoi la structure de l’espace visible nous paraît plate et pourquoi l’Univers visible est homogène et isotrope, c’est-à-dire le même dans toutes les directions. L’Univers est tellement grand que notre vision ressemble à celle que possède un observateur terrestre fixe. Il voit un horizon plat, pense que la Terre est plate, car il ne voit qu’une infime partie du Globe. Ses sens le trompent.

La Recherche : En fait, l’Univers n’est pas si homogène que cela, puisqu’il y a des galaxies, des étoiles, et même des gens comme nous qui réfléchissons à l’histoire de l’Univers !

Andrei Linde : Oui, heureusement. Les équations décrivant le champ scalaire qui a engendré l’inflation sont sensibles à un terme apparenté à une friction, une viscosité. À la fin de la phase d’inflation, le champ scalaire était tellement visqueux que les petites fluctuations quantiques qui le parcouraient se sont gelées. Elles se retrouvent dans le rayonnement de fond cosmologique émis 380 000 ans après le Big Bang. Ces inhomogénéités ont formé les grandes structures que nous observons actuellement.

Mais vous avez raison, l’Univers dans son ensemble n’est pas du tout homogène ! Notre modèle d’inflation éternelle implique que d’autres fluctuations du vide quantique ont continué à produire d’autres univers inflationnaires, d’autres bulles d’univers. Dans son ensemble, l’Univers est une énorme fractale en expansion. Chaque bulle est née d’une valeur différente du minimum du champ scalaire, car comme dans une chaîne de montagnes où les massifs sont séparés par des cols de différentes altitudes, les minima ne sont pas identiques. Loin de là. Selon les modèles de la théorie des cordes, il y aurait plus 101 000 possibilités de minima d’énergie. Et ainsi 101 000 univers différents et 101 000 possibilités de lois physiques !

La recherche : Des bulles naîtraient encore aujourd’hui ?

Andrei Linde : Bien sûr, l’Univers-bulles est en perpétuelle création. Il ne faut pas considérer le début de notre Univers au moment de la singularité du Big Bang, ce qui gêne tous les physiciens, mais au moment de l’inflation elle-même. L’Univers, dans son ensemble, n’a pas de début ni de fin, et sa taille est infinie car des bulles se créent sans cesse. C’est cela l’inflation éternelle.

La Recherche : Pourrions-nous voir des univers se former à l’intérieur du nôtre ? 

Andrei Linde : Rien n’interdit qu’en n’importe quel endroit, même ici dans cette pièce, un nouvel univers se matérialise d’un coup et commence à s’étendre. Mais en relativité générale l’Univers a un contenu fixe d’énergie. Il s’étend à partir de ses propres ressources. De l’extérieur, il ne serait toujours qu’un point immatériel. Nous ne le verrions pas. Donc, rien ne nous dira jamais si c’est vrai. C’est évidemment très spéculatif

La Recherche : C’est aussi le cas de votre théorie des univers-bulles. Vos détracteurs vous accusent d’évoquer des hypothèses invérifiables et qualifient votre travail de métaphysique. Que leur répondez-vous ?

Andrei Linde : Qu’ils se trompent. C’est de la science très sérieuse. Elle s’appuie sur la théorie des cordes, qui est très compliquée. De ce point de vue, vingt-cinq ans de travail n’y ont rien changé. Mais grâce à elle on peut calculer quelle est la probabilité de passer d’un minimum d’énergie à un autre. Et donc quelles sont les caractéristiques des univers possibles. Ce n’est pas de la métaphysique, mais un ensemble d’équations qu’il nous faut résoudre. Cela ressemble à la question : pourquoi suis-je né à Moscou ? Je n’ai évidemment pas la réponse. En revanche, je sais que je suis né quelque part. C’est un fait et une condition initiale. Toutes les réflexions qui en découlent auront à prendre en compte cette donnée. Par exemple, si je regarde autour de moi et m’aperçois que tout le monde parle américain, je vais essayer de comprendre ce qui s’est passé. L’américain est-il la langue universelle ? Les Américains ont-ils envahi la Russie ? Suis-je exilé aux États-Unis ? Les options sont diverses. C’est le même raisonnement qu’il faut mener à propos des lois de la physique.

Le débat sur leur unicité n’a pas lieu d’être. On se pose la mauvaise question. Notre bulle d’Univers a des caractéristiques bien précises, comme le rapport des masses des différentes particules, celui des différentes forces ou les valeurs des constantes universelles. Pourquoi ? Mystère. Ce sont des données qu’il faut prendre en compte. On peut d’un autre côté se demander comment la bulle est apparue, ce qui l’a fait émerger. C’est ce que nous faisons. Nos travaux nous conduisent à l’existence d’un champ scalaire, générateur d’une phase d’inflation de notre bulle d’Univers et à l’origine d’autres bulles aux propriétés différentes. Il n’y a donc unicité des lois de la physique que dans chaque bulle. Ailleurs, les lois sont différentes, le nombre de dimensions diffère.

La Recherche : Si l’on vous suit bien, il ne sert donc à rien de se demander pourquoi notre Univers possède 3 + 1 dimensions et non 8 ou 10 ?

Andrei Linde : Exactement. Le fait est qu’il possède trois dimensions d’espace et une de temps. Ce qui permet l’existence des planètes et des êtres vivants. Mais les possibilités de minima d’énergie du champ scalaire sont tellement nombreuses que beaucoup de bulles d’univers ont plus de dimensions et n’ont sûrement pas vu se créer d’atomes. Il suffit de modifier à peine la valeur de la force nucléaire pour que les atomes de carbone ou d’oxygène ne puissent pas se former.

De nombreux physiciens refusent cette vision du monde, car ils sont, selon moi, comme la plupart des gens sur cette planète : ils veulent absolument une réponse et une seule, une raison à leur existence. Mais la réalité n’est pas si simple. Nous sommes là où les conditions l’ont permis. Notre théorie tient la route et doit continuer à être testée. Cela ne veut pas dire que nous ayons raison, mais elle est aujourd’hui la seule réponse valable aux problèmes que connaît la théorie standard du Big Bang.

La Recherche : La théorie de l’inflation est-elle prédictive ?

Andrei Linde : C’était le reproche le plus courant au début des années 1980. Pourtant, dès 1981, les Russes Viatcheslav Mukhanov, aujourd’hui professeur à Munich, en Allemagne, et G. V. Chibisov ont prédit que les traces de l’inflation seraient visibles dans les fluctuations thermiques du rayonnement de fond cosmologique. Cela se traduisait par une courbe qui trace la taille de ces fluctuations, ce que nous appelons le spectre de puissance. Il a fallu attendre les résultats du satellite Cobe en 1992, et surtout ceux de WMAP en 2003 pour se rendre compte de la force de la théorie. La courbe observée colle presque point par point à celle prédite par mes deux collègues russes.

La Recherche : Cette seule prédiction est-elle suffisante, sachant qu’il y a encore des problèmes dans les grands angles ?

Andrei Linde : C’est que la théorie n’est pas encore complète. Les données que récupérera le satellite Planck à partir de 2007 nous forceront à affiner nos modèles. Pour moi, il y a deux façons de faire avancer la science, de prouver une théorie. D’un côté, l’explication, de l’autre la prédiction.

Quand vous enquêtez sur un meurtre, vous avez deux solutions pour convaincre. Soit vous apportez des preuves tangibles, soit vous proposez des scénarios qui expliquent tous les points du drame. L’un d’entre eux est meilleur que les autres. Une prédiction qui se réalise est un argument beaucoup plus fort, mais une reconstitution est aussi souvent une preuve à charge. Nous autres, physiciens, sommes des gens pragmatiques. À partir des données que nous avons, nous construisons un ensemble de modèles qui fonctionnent. Quand de nouvelles données arrivent, nous affinons nos modèles afin de sélectionner le meilleur ou en construire un qui explique encore mieux les données. L’inflation est la seule théorie qui explique la platitude de l’Univers, son homogénéité et son isotropie.

Propos recueillis par Jacques-Olivier Baruch

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.