En 1981, de nombreux cosmologistes de premier plan se sont réunis à l’Académie Pontificale des Sciences, vestige des lignées couplées de la science et de la théologie située dans une élégante villa dans les jardins du Vatican. Stephen Hawking a choisi le cadre d’août pour présenter ce qu’il considérera plus tard comme son idée la plus importante: une proposition sur la façon dont l’univers aurait pu naître de rien.,
Avant le discours de Hawking, toutes les histoires d’origine cosmologique, scientifiques ou théologiques, avaient invité la réplique, « Que s’est-il passé avant cela? »La théorie du Big Bang, par exemple — lancée 50 ans avant la conférence de Hawking par le physicien belge et prêtre catholique Georges Lemaître, qui fut plus tard président de l’académie des sciences du Vatican — ramène l’expansion de l’univers à un faisceau d’énergie chaud et dense. Mais d’où vient l’énergie initiale venu?
La théorie du Big Bang avait d’autres problèmes., Les physiciens ont compris qu’un faisceau d’énergie en expansion deviendrait un désordre froissé plutôt que l’immense cosmos lisse que les astronomes modernes observent. En 1980, l’année précédant le discours de Hawking, le cosmologiste Alan Guth a réalisé que les problèmes du Big Bang pouvaient être résolus avec un add-on: une poussée de croissance exponentielle initiale connue sous le nom d’inflation cosmique, qui aurait rendu l’univers énorme, lisse et plat avant que la gravité ait eu une chance de le détruire. L’inflation est rapidement devenue la principale théorie de nos origines cosmiques., Pourtant, la question des conditions initiales demeurait: Quelle était la source de la minuscule tache qui aurait explosé dans notre cosmos, et de l’énergie potentielle qui l’a gonflé?
Hawking, dans son éclat, a vu un moyen de mettre fin à l’interminable tâtonnement en arrière dans le temps: Il a proposé qu’il n’y ait pas de fin, ou de début, du tout., Selon le compte rendu de la conférence du Vatican, le physicien de Cambridge, alors âgé de 39 ans et toujours capable de parler de sa propre voix, a déclaré à la foule: « Il devrait y avoir quelque chose de très spécial dans les conditions aux limites de l’univers, et quoi de plus spécial que la condition qu’il n’y ait pas de »
La” proposition no-boundary », que Hawking et son collaborateur fréquent, James Hartle, ont entièrement formulée dans un article de 1983, envisage le cosmos ayant la forme d’un volant., Tout comme un volant a un diamètre de zéro à son point le plus bas et s’élargit progressivement en remontant, l’univers, selon la proposition no-boundary, s’est progressivement étendu à partir d’un point de taille zéro. Hartle et Hawking ont dérivé une formule décrivant l’ensemble du volant-la soi — disant « fonction d’onde de l’univers” qui englobe tout le passé, le présent et l’avenir à la fois-rendant discutable toute contemplation des graines de la création, d’un créateur ou de toute transition d’une époque antérieure.,
« Demander ce qui est arrivé avant le Big Bang n’a aucun sens, selon la proposition no-boundary, car il n’y a aucune notion de temps disponible pour se référer”, a déclaré Hawking dans une autre conférence à l’Académie pontificale en 2016, un an et demi avant sa mort. « Ce serait comme demander ce qui se trouve au sud du pôle Sud. »
La proposition de Hartle et Hawking a radicalement reconceptualisé le temps., Chaque moment de l’univers devient une section transversale du volant; alors que nous percevons l’univers comme s’étendant et évoluant d’un moment à l’autre, le temps consiste en réalité en des corrélations entre la taille de l’univers dans chaque section transversale et d’autres propriétés-en particulier son entropie, ou désordre. L’entropie augmente du liège aux plumes, visant une flèche émergente du temps. Près du fond arrondi du volant, cependant, les corrélations sont moins fiables; le temps cesse d’exister et est remplacé par l’espace pur., Comme Hartle, aujourd’hui âgé de 79 ans et professeur à l’Université de Californie à Santa Barbara, l’a expliqué par téléphone récemment, « Nous n’avions pas d’oiseaux dans l’univers très tôt; nous avons des oiseaux plus tard. We Nous n’avons pas eu le temps dans l’univers primitif, mais nous avons le temps plus tard. »
La proposition no-boundary fascine et inspire les physiciens depuis près de quatre décennies. ” C’est une idée incroyablement belle et provocante », a déclaré Neil Turok, cosmologiste à l’Institut Périmètre de physique théorique de Waterloo, au Canada, et ancien collaborateur de Hawking., La proposition représentait une première estimation de la description quantique du cosmos — la fonction d’onde de l’univers. Bientôt, un champ entier, la cosmologie quantique, a vu le jour lorsque les chercheurs ont conçu des idées alternatives sur la façon dont l’univers aurait pu venir de rien, analysé les différentes prédictions des théories et les moyens de les tester, et interprété leur signification philosophique. La fonction d’onde sans limite, selon Hartle, « était à certains égards la proposition la plus simple possible pour cela., »
Mais il y a deux ans, un article de Turok, Job Feldbrugge de l’Institut Périmètre et Jean-Luc Lehners de l’Institut Max Planck de physique gravitationnelle en Allemagne remettait en question la proposition Hartle-Hawking. La proposition n’est, bien sûr, viable que si un univers qui se courbe à partir d’un point sans dimension de la manière imaginée par Hartle et Hawking se développe naturellement dans un univers comme le nôtre. Hawking et Hartle ont fait valoir qu’en effet, il serait-que les univers sans frontières auront tendance à être énormes, à couper le souffle, incroyablement plat, et en expansion, tout comme le cosmos réel., ” Le problème avec l’approche de Stephen et Jim est qu’elle était ambiguë », a déclaré Turok — » profondément ambiguë. »
Dans leur article de 2017, publié dans Physical Review Letters, Turok et ses co-auteurs ont abordé la proposition no-boundary de Hartle et Hawking avec de nouvelles techniques mathématiques qui, à leur avis, rendent ses prédictions beaucoup plus concrètes qu’auparavant. ” Nous avons découvert que cela avait échoué lamentablement », a déclaré Turok. « Ce n’était tout simplement pas possible mécaniquement quantique pour un univers de commencer comme ils l’imaginaient., »Le trio a vérifié leurs calculs et interrogé leurs hypothèses sous-jacentes avant de rendre public, mais” malheureusement », a déclaré Turok, » il semblait inévitable que la proposition Hartle-Hawking soit un désastre.”
Le journal a déclenché une controverse. D’autres experts ont vigoureusement défendu l’idée de non-frontière et réfuté le raisonnement de Turok et de ses collègues. ” Nous ne sommes pas d’accord avec ses arguments techniques », a déclaré Thomas Hertog, physicien à l’Université catholique de Louvain en Belgique qui a étroitement collaboré avec Hawking pendant les 20 dernières années de la vie de ce dernier., « Mais plus fondamentalement, nous sommes également en désaccord avec sa définition, son cadre, son choix de principes. Et c’est la discussion la plus intéressante. »
Après deux ans de combat, les groupes ont retracé leur désaccord technique à des croyances différentes sur le fonctionnement de la nature. Le débat houleux-mais amical-a contribué à raffermir l’idée que la plupart chatouillaient la fantaisie de Hawking., Même les critiques de sa formule spécifique et de celle de Hartle, y compris Turok et Lehners, élaborent des modèles quantiques-cosmologiques concurrents qui tentent d’éviter les pièges présumés de l’original tout en conservant son attrait illimité.
Garden of Cosmic Delights
Hartle et Hawking se sont beaucoup vus à partir des années 1970, généralement lorsqu’ils se sont rencontrés à Cambridge pour de longues périodes de collaboration. Les recherches théoriques du duo sur les trous noirs et les singularités mystérieuses en leurs centres les avaient tournés vers la question de notre origine cosmique.,
En 1915, Albert Einstein a découvert que les concentrations de matière ou d’énergie déforment le tissu de l’espace-temps, provoquant la gravité. Dans les années 1960, Hawking et le physicien de l’Université d’Oxford Roger Penrose ont prouvé que lorsque l’espace-temps se plie assez fortement, comme à l’intérieur d’un trou noir ou peut-être pendant le Big Bang, il s’effondre inévitablement, se courbant infiniment vers une singularité, où les équations d’Einstein se décomposent et une nouvelle théorie quantique Les « théorèmes de singularité” de Penrose-Hawking signifiaient qu’il n’y avait aucun moyen pour l’espace-temps de commencer en douceur, de manière non dramatique à un point.,
Hawking et Hartle ont donc été amenés à réfléchir à la possibilité que l’univers ait commencé comme un espace pur, plutôt que comme un espace-temps dynamique. Et cela les a conduits à la géométrie du volant. Ils ont défini la fonction d’onde sans limite décrivant un tel univers en utilisant une approche inventée par le héros de Hawking, le physicien Richard Feynman. Dans les années 1940, Feynman a conçu un schéma pour calculer les résultats les plus probables des événements mécaniques quantiques., Pour prédire, par exemple, les résultats les plus probables d’une collision de particules, Feynman a constaté que vous pouviez résumer tous les chemins possibles que les particules en collision pourraient prendre, en pondérant les chemins simples plus que les chemins alambiqués dans la somme. Le calcul de cette « intégrale de chemin” vous donne la fonction d’onde: une distribution de probabilité indiquant les différents états possibles des particules après la collision.
De même, Hartle et Hawking ont exprimé la fonction d’onde de l’univers — qui décrit ses états probables — comme la somme de toutes les façons possibles qu’il aurait pu se développer en douceur à partir d’un point., L’espoir était que la somme de toutes les « histoires d’expansion » possibles, des univers à fond lisse de toutes formes et tailles différentes, donnerait une fonction d’onde qui donne une forte probabilité à un univers énorme, lisse et plat comme le nôtre. Si la somme pondérée de toutes les histoires d’expansion possibles donne un autre type d’univers comme résultat le plus probable, la proposition sans limite échoue.
Le problème est que l’intégrale de chemin sur tous les historiques d’expansion possibles est beaucoup trop compliquée pour être calculée exactement. D’innombrables formes et tailles d’univers sont possibles, et chacun peut être une affaire désordonnée., ” Murray Gell-Mann me demandait », a déclaré Hartle, se référant au défunt physicien lauréat du prix Nobel, « si vous connaissez la fonction ondulatoire de l’univers, pourquoi n’êtes-vous pas riche? »Bien sûr, pour résoudre réellement la fonction d’onde en utilisant la méthode de Feynman, Hartle et Hawking ont dû simplifier considérablement la situation, ignorant même les particules spécifiques qui peuplent notre monde (ce qui signifiait que leur formule était loin d’être en mesure de prédire le marché boursier)., Ils considéraient que le chemin faisait partie intégrante de tous les univers jouets possibles dans le « minisuperspace », défini comme l’ensemble de tous les univers avec un seul champ d’énergie qui les parcourait: l’énergie qui alimentait l’inflation cosmique. (Dans l’image de volant de Hartle et Hawking, cette période initiale de ballon correspond à l’augmentation rapide du diamètre près du fond du liège.)
Même le calcul du minisuperspace est difficile à résoudre exactement, mais les physiciens savent qu’il existe deux historiques d’expansion possibles qui dominent potentiellement le calcul., Ces formes universelles rivales ancrent les deux côtés du débat actuel.
Les solutions rivales sont les deux histoires d’expansion « classiques” qu’un univers peut avoir. Après une poussée initiale d’inflation cosmique à partir de la taille zéro, ces univers se développent régulièrement selon la théorie de la gravité et de l’espace-temps d’Einstein. Des histoires d’expansion plus étranges, comme des univers en forme de football ou des univers ressemblant à des chenilles, s’annulent généralement dans le calcul quantique.
l’Une des deux solutions classiques ressemble à notre univers., À grande échelle, il est lisse et parsemé d’énergie au hasard, en raison des fluctuations quantiques pendant l’inflation. Comme dans l’univers réel, les différences de densité entre les régions forment une courbe en cloche autour de zéro. Si cette solution possible domine effectivement la fonction d’onde pour le minisuperspace, il devient plausible d’imaginer qu’une version beaucoup plus détaillée et exacte de la fonction d’onde sans limite pourrait servir de modèle cosmologique viable de l’univers réel.
L’autre forme d’univers potentiellement dominante n’a rien à voir avec la réalité., À mesure qu’il s’élargit, l’énergie qui l’insuffle varie de plus en plus extrêmement, créant d’énormes différences de densité d’un endroit à l’autre que la gravité s’aggrave régulièrement. Les variations de densité forment une courbe en cloche inversée, où les différences entre les régions s’approchent non pas de zéro, mais de l’infini. Si c’est le terme dominant dans la fonction d’onde sans limite pour le minisuperspace, alors la proposition de Hartle-Hawking semble être fausse.
Les deux historiques d’expansion dominants présentent un choix dans la façon dont l’intégrale de chemin doit être faite., Si les histoires dominantes sont deux endroits sur une carte, des mégapoles dans le domaine de tous les univers mécaniques quantiques possibles, la question est de savoir quel chemin nous devrions emprunter à travers le terrain. Quelle histoire d’expansion dominante, et il ne peut y en avoir qu’une, notre « contour d’intégration » devrait-il reprendre? Les chercheurs ont fourche des chemins différents.
Dans leur article de 2017, Turok, Feldbrugge et Lehners ont parcouru le jardin des histoires d’expansion possibles qui ont conduit à la deuxième solution dominante., Selon eux, le seul contour sensible est celui qui analyse les valeurs réelles (par opposition aux valeurs imaginaires, qui impliquent les racines carrées des nombres négatifs) pour une variable appelée « lapse. »Lapse est essentiellement la hauteur de chaque univers de volant possible – la distance qu’il faut pour atteindre un certain diamètre. Faute d’un élément causal, le lapse n’est pas tout à fait notre notion habituelle du temps. Pourtant, Turok et ses collègues soutiennent en partie sur la base de la causalité que seules les valeurs réelles de lapse ont un sens physique., Et résumer des univers avec des valeurs réelles de lapse conduit à la solution extrêmement fluctuante et physiquement absurde.
« Les gens accordent une grande confiance à l’intuition de Stephen”, a déclaré Turok par téléphone. « Pour une bonne raison – je veux dire, il avait probablement la meilleure intuition de quiconque sur ces sujets. Mais il n’avait pas toujours raison. »
Univers imaginaires
Jonathan Halliwell, physicien à l’Imperial College de Londres, a étudié la proposition no-boundary depuis qu’il était l’étudiant de Hawking dans les années 1980. Lui et Hartle ont analysé la question du contour de l’intégration en 1990., Selon eux, tout comme Hertog et apparemment Hawking, le contour n’est pas fondamental, mais plutôt un outil mathématique qui peut être mis à profit. C’est similaire à la façon dont la trajectoire d’une planète autour du soleil peut être exprimée mathématiquement comme une série d’angles, comme une série de temps, ou en termes de l’un de plusieurs autres paramètres pratiques. ” Vous pouvez effectuer ce paramétrage de différentes manières, mais aucun d’entre eux n’est plus physique qu’un autre », a déclaré Halliwell.,
Lui et ses collègues soutiennent que, dans le cas du minisuperspace, seuls les contours qui reprennent la bonne histoire d’expansion ont un sens. La mécanique quantique nécessite des probabilités pour ajouter à 1, ou être « normalisable”, mais l’univers extrêmement fluctuant sur lequel l’équipe de Turok a atterri ne l’est pas. Cette solution est absurde, en proie à des infinités et interdite par des lois quantiques — des signes évidents, selon les défenseurs de no-boundary, de marcher dans l’autre sens.
Il est vrai que les contours passant par la bonne solution résument les univers possibles avec des valeurs imaginaires pour leurs variables de lapse., Mais à part Turok et compagnie, peu de gens pensent que c’est un problème. Les nombres imaginaires imprègnent la mécanique quantique. Pour l’équipe Hartle-Hawking, les critiques invoquent une fausse notion de causalité en exigeant que le lapse soit réel. ” C’est un principe qui n’est pas écrit dans les étoiles, et avec lequel nous sommes profondément en désaccord », a déclaré Hertog.
Selon Hertog, Hawking a rarement mentionné la formulation intégrale de la fonction d’onde sans limite dans ses dernières années, en partie à cause de l’ambiguïté autour du choix du contour., Il considérait l’histoire de l’expansion normalisable, que l’intégrale path avait simplement contribué à découvrir, comme la solution à une équation plus fondamentale sur l’univers posée dans les années 1960 par les physiciens John Wheeler et Bryce DeWitt. Wheeler et DeWitt-après avoir réfléchi à la question lors d’une escale à Raleigh — Durham International-ont soutenu que la fonction d’onde de l’univers, quelle qu’elle soit, ne peut pas dépendre du temps, car il n’y a pas d’horloge externe pour la mesurer., Et ainsi, la quantité d’énergie dans l’univers, lorsque vous additionnez les contributions positives et négatives de la matière et de la gravité, doit rester à zéro pour toujours. La fonction d’onde sans limite satisfait l’équation de Wheeler-DeWitt pour le minisuperspace.
Dans les dernières années de sa vie, pour mieux comprendre la fonction d’onde plus généralement, Hawking et ses collaborateurs ont commencé à appliquer l’holographie — une nouvelle approche à succès qui traite l’espace-temps comme un hologramme., Hawking a cherché une description holographique d’un univers en forme de volant, dans lequel la géométrie de tout le passé projetterait hors du présent.
Cet effort se poursuit en l’absence de Hawking. Mais Turok voit ce changement d’accent comme un changement des règles. En reculant de la formulation intégrale du chemin, dit-il, les partisans de l’idée sans frontière l’ont rendue mal définie. Ce qu’ils étudient n’est plus Hartle-Hawking, à son avis — bien que Hartle lui-même ne soit pas d’accord.,
Depuis un an, Turok et ses collègues de l’Institut Périmètre, Latham Boyle et Kieran Finn, développent un nouveau modèle cosmologique qui a beaucoup en commun avec la proposition no-boundary. Mais au lieu d’un volant, il envisage deux, disposés liège à liège dans une sorte de figure de sablier avec le temps qui coule dans les deux sens., Bien que le modèle ne soit pas encore assez développé pour faire des prédictions, son charme réside dans la façon dont ses lobes réalisent la symétrie CPT, un miroir apparemment fondamental dans la nature qui reflète simultanément la matière et l’antimatière, à gauche et à droite, et en avant et en arrière dans le temps. Un inconvénient est que les lobes de l’image miroir de l’univers se rencontrent à une singularité, une pincée dans l’espace-temps qui nécessite la théorie quantique inconnue de la gravité pour comprendre. Boyle, Finn et Turok prennent un coup de couteau à la singularité, mais une telle tentative est intrinsèquement spéculative.,
Il y a également eu un regain d’intérêt pour la « proposition de tunnel”, une façon alternative que l’univers aurait pu naître de rien, conçue dans les années 80 indépendamment par les cosmologistes russo-américains Alexander Vilenkin et Andrei Linde. La proposition, qui diffère de la fonction d’onde sans limite principalement par un signe moins, projette la naissance de l’univers comme un événement de « tunnel” mécanique quantique, similaire à lorsqu’une particule apparaît au-delà d’une barrière dans une expérience de mécanique quantique.,
Les questions abondent sur la façon dont les différentes propositions se croisent avec le raisonnement anthropique et l’idée tristement célèbre du multivers. La fonction d’onde sans limite, par exemple, favorise les univers vides, alors que de la matière et de l’énergie importantes sont nécessaires pour alimenter l’énorme et la complexité. Hawking a soutenu que la vaste diffusion des univers possibles permise par la fonction d’onde doit tous être réalisée dans un multivers plus grand, dans lequel seuls des univers complexes comme le nôtre auront des habitants capables de faire des observations., (Le débat récent porte sur la question de savoir si ces univers complexes et habitables seront lisses ou fluctuants.) Un avantage de la proposition de tunneling est qu’elle favorise des univers remplis de matière et d’énergie comme le nôtre sans recourir à un raisonnement anthropique – bien que les univers qui creusent un tunnel dans l’existence puissent avoir d’autres problèmes.
Peu importe comment les choses se passent, peut-être nous resterons-nous avec une essence de l’image que Hawking a peinte pour la première fois à l’Académie pontificale des Sciences il y a 38 ans., Ou peut-être, au lieu d’un non-commencement semblable au Pôle Sud, l’univers a émergé d’une singularité après tout, exigeant un type différent de fonction d’onde. De toute façon, la recherche va se poursuivre. « Si nous parlons d’une théorie de la mécanique quantique, quoi d’autre est là pour trouver d’autres que la fonction d’onde? »a demandé Juan Maldacena, un éminent physicien théoricien à l’Institute for Advanced Study de Princeton, dans le New Jersey, qui est surtout resté en dehors de la mêlée récente., La question de la fonction ondulatoire de l’univers « est la bonne question à poser”, a déclaré Maldacena, qui est d’ailleurs membre de l’Académie pontificale. « Que nous trouvions la bonne fonction d’onde, ou comment nous devrions penser à la fonction d’onde — c’est moins clair. »
Correction: Cet article a été révisé le 6 juin 2019, pour lister Latham Boyle et Kieran Finn en tant que co-développeurs de l’idée d’univers symétrique CPT.
Cet article a été réimprimé le Wired.com.