Apprivoiser le multivers: la dernière théorie de Stephen Hawking sur le Big Bang

La dernière théorie du professeur Stephen Hawking sur l’origine de l’univers, sur laquelle il a travaillé en collaboration avec le professeur Thomas Hertog de la KU Leuven, a été publiée aujourd’hui dans le Journal of High Energy Physics.

« Nous ne sommes pas dans un univers unique et singulier, mais nos découvertes impliquent une réduction significative du multivers, à une gamme beaucoup plus petite d’univers possibles. » Stephen Hawking

 

La théorie, qui a été soumise pour publication avant la mort de Hawking plus tôt cette année, est basée sur la théorie des cordes et prédit que l’univers est fini et beaucoup plus simple que de nombreuses théories actuelles sur le big bang.

Le professeur Hertog, dont le travail a été soutenu par le Conseil européen de la recherche, a d’abord annoncé la nouvelle théorie lors d’une conférence à l’Université de Cambridge en juillet dernier, organisée à l’occasion du 75e anniversaire du professeur Hawking.

Les théories modernes du big bang prédisent que notre univers local a vu le jour avec une brève poussée d’inflation – en d’autres termes, une toute petite fraction de seconde après le big bang lui-même, l’univers s’est développé à un rythme exponentiel. Cependant, on croit généralement qu’une fois que l’inflation commence, il y a des régions où elle ne s’arrête jamais. On pense que les effets quantiques peuvent maintenir l’inflation indéfiniment dans certaines régions de l’univers, de sorte que globalement, l’inflation est éternelle. La partie observable de notre univers serait alors juste un univers de poche hospitalier, une région où 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 d’univers de poche différents, séparés par un océan en inflation », a déclaré 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, Hawking et Hertog disent que ce compte de l’inflation éternelle comme une théorie du big bang est faux. « Le problème avec le compte 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 cela », a déclaré 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, sur les plus grandes échelles, est raisonnablement lisse et globalement fini. Donc, ce n’est pas une structure fractale « , a déclaré Hawking.

La théorie de l’inflation éternelle proposée par Hawking et Hertog repose 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 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.

Hawking et 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 des temps.

« Quand nous suivons l’évolution de notre univers dans le temps, nous arrivons au seuil de l’inflation éternelle, où notre notion familière de temps cesse d’avoir un sens », a déclaré Hertog.

La «théorie des frontières sans frontières» de Hawking prédit que si vous remontez dans le temps au début de l’univers, l’univers se rétrécit et se ferme comme une sphère, mais cette nouvelle théorie représente un pas de plus par rapport au travail précédent. « Maintenant, nous disons qu’il y a une limite dans notre passé », a déclaré Hertog.

Hertog et Hawking ont utilisé leur nouvelle théorie pour obtenir 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 passée 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 profondes pour le paradigme du multivers. «Nous ne sommes pas dans un univers unique et singulier, mais nos découvertes impliquent une réduction significative du multivers, à une gamme beaucoup plus petite d’univers possibles», a déclaré Hawking.

Cela rend la théorie plus prédictive et vérifiable.

Hertog envisage maintenant d’étudier les implications de la nouvelle théorie sur de plus petites échelles, qui sont à la portée de nos télescopes spatiaux. Il croit que les ondes gravitationnelles primordiales – des ondulations dans l’espace-temps – 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 de telles ondes gravitationnelles auraient de très grandes longueurs d’onde, en dehors de la portée des détecteurs LIGO actuels. Mais ils pourraient être entendus par l’observatoire planétaire européen des ondes gravitationnelles, LISA, ou être observés dans de futures expériences mesurant le fond diffus cosmologique.

 

Reference:

 

S.W. Hawking and Thomas Hertog. ‘A Smooth Exit from Eternal Inflation?’’ Journal of High-Energy Physics (2018). DOI: 10.1007/JHEP04(2018)147