Notre Univers

Qu'est-ce que la gravité?

les grandes continuit és de

r

expérience. C'est pourquoi, se- lon Whitehead, l'unité et l'universalité du phénomène de la gravitation ne peuvent réellement être soutenues que dans l'hypothèse d'un espace-temps uniforme. C'est cette unifor- mité qui conserve son sens à l'idée même d'une déformation ou d'une déviation des rayons lumineux au voisinage des corps massifs.

Rendre à la gravitation son caractère processuel, s'assurer que la description qu'on en donne consonne avec le tout de l'expérience: voilà ce à quoi "Whitehead tenait. La question est de savoir ce qu'on peut en faire aujourd'hui. Condamnée d'un point de vue physique (ou disons, expérimental), sa théorie peut-elle néanmoins survivre dans ses intentions gé- nérales? Saura-t-elle retenir l'attention de futurs théoriciens de la gravitation (quantique, par exemple)? Se trouvera-t-il même des philosophes pour en reprendre et en prolonger le projet? Car à la fin, qui a réellement besoin d'une théorie philosophique de la gravitation, si ce n'est pour éclairer les sentiers d'une nouvelle physique⁴³?

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Notre Univers

n'est-il qu'un îlot dans un vaste multivers?

Aurélien Barrau

«Seul peut éduquer 1 · . .

. ce u1 qui sait ce qu'aimer veuc dire [ 1

P1er Paolo p 1· · L .. · · »

aso 101, es Anges distraits, I 995

La cosmologie physique a atteint u d

Elle relate l'histoire de l'U . d n s.ta e de haute fiabilité.

. . nivers epu1s les prem. .

qui suivirent Je Big B . " . 1ers Instants

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t1vement convaincant L h . e açon re a- de comprendre ce qu efu. la p ys1que des particules permet

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pas une théorie défi . . D' m0Iog1e n est pourtant nmve. une parr p '

nombre de zones d' b d arce qu un certain om re y emeurent. I.: essentielle de la

Extrait de

"Qu'est-ce que la gravité? Le grand défi de la physique" Dunod, 2019

Dir: Klein, Brax et Vanhove

Qu'est-ce que la gravité?

masse de l'Univers se trouve sous forme de matière noire dont la nature fondamentale n'est pas connue. I.:expansion de l'Univers accélère à cause d'une mystérieuse énergie noire dont l'origine n'est pas connue. La matière domine sur l'antimatière suite à une dissymétrie dont la cause n'est pas connue ... Enfin, le Big Bang lui-même est une pathologie dont le supplétif n'est pas connu.

Mais, d'autre part, c'est le statue de l'Univers lui-même qu'il est aujourd'hui légitime d'interroger. Ne constituerait-il qu'un îlot dérisoire face à l'immensité du « multivers»?

L'espace immense

Il est import ant de souligner qu'en physique, le sens du terme «univers» varie suivant les contextes. Comme nçons ici par considérer l'acception la plus restrictive ec nommons Univers ce qui est en contact causal avec la Terre. Autrement dit l'ensemble de ce qui peut avoir eu une interaction avec nous. Cette portion d'espace, bien que très grande, n'est pas infinie. Or, en suivant la relativité générale (et en se restrei- gnant à la topologie la plus simple), deux des trois géomé- tries possibles en cosmologie conduisent à un espace de taille infinie. Si l'espace est infini - ou simplement nettement plus grand que notre Univers au sens précédemment mention- né - alors déjà apparait une première structure de multivers.

Celle-ci pourrait sembler être purement anecdotique: après tout, qui se soucie de ce qui advient au-delà de !'«horizon» dans une zone inaccessible de l'espace?

Il n'est pourtant pas aussi clair que l'existence d'un

« au-delà» soit sans conséquence. Les spécificités des phé- nomène s prenant naissance dans notre Univers doivent en

Notre Univers n'est-il qu'un îlot dans un vaste multivers?

effet être éventuellement . réinterpréte'es a , l' aune d e cet es-

~ace mfini. Ce q~i semble étrange peut être alors dû à un sunple effet de sel~ccion locale. Considérons un exemple: un observateur qw ne verrait que la Terre pourrait s'éton- n~r ~e ce que le monde soie constitué uniquem ent d'arbres, d' arumau~, de mon cagnes, d'océans ... Naturellement il n en _est nen: notre Univers· est essentiellem ent constitué de _. vide - ou _{. ,} au mo1·ns cl' _{un mi} ·1· · _1eu mrerstellaire de très faible densite; Un simple « effet de sélection» associé à notre sta~ut d obs~rvateur fait que nous nous trouvons sur une flanet~ tellun,que. Mais cette planète n'est pas du tour representanve de l ensemble de l'Univers De l ^A

., . · a meme ma-

mer~, ~ocre ,Univers pourrait ne pas être représemarîf de la totaltte de l espace du multivers et en tenir compte .

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Les trous noirs

0~ sait depuis le XVIIIe siècle qu'il pourrait exister des « trous

~~us>>. Ce sont des zones de

I'

espace dont rien ne peut s e_chap~er, pas même la lumière. Bien que cette évenrualité sou envisageable dans le cadre de la physique newtonienne c'est la relativité générale d'Einstein qui a permis de les corn~ prendre en détail. Si néanmoins

1a

situation a drastiquement changé depuis qu~lques décennies, c'est avant tour parce que du statut de simples «possibilités>> théoriques, ils sonc d~enus des astres presque banals au sein de notre Univers.

Rien que dans notre galaxie, la Voie lactée,

il

est raisonnable

Qu'est-ce que la gravité?

d'estimer leur nombre à cent millions à peu près. Les trous noirs ne sont plus des objets exotiques.

Les plus simples d'entre eux, .dits trous noir~. ~e Schwarzschild, ne présentent pas de lien notable avec l 1dee de multivers car ils ne peuvent pas permettre de connecter deux univers par leurs intérieurs. Mais il en va tout autrement pour les trous noirs en rotation (dits de Kerr) ou chargés (dits de Reissner-Nordstrom). Ces derniers présemenc une structure interne beaucoup plus riche. Leur centre devient potentiellement traversable. De plus, apparaît alors une my- riade- et même une infinité - d'autres univers. Certains one une gravitation attractive, d'autres une gravitation répulsive.

Cet étonnant multivers est associé à ce qu'on nomme une extension maximale de la géométrie interne. Rien n'as- sure son existence physique réelle. Il pourrait ne s'agir que d'une chimère. Mais l'éventualité mérite d'être sérieusement considérée.

La mécanique quantique

La plupart des phénomènes microscopiques sont adéquate- ment décrits par la mécanique quantique. Bien que contre- intuitive par rapport à notre expérience usuelle, la science quantique est extrêmement bien corroborée par plus d'u,n siècle d'investigations. Entre autres choses, elle est fondee sur le principe de superposition: les particules peuvent se trouver simultanément en plusieurs lieux ou plusieurs états.

Or, dans notre environnement habituel, nous n'observons jamais une telle superposition d'états : les chats ne sont ~as morts et vivants en même temps. La vision orthodoxe, dite de Copenhague, ajoute donc un postulat supplémentaire

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suivant lequel la transition du classique au quantique s' ac- compagne d'un phénomène mathématiquement disgracieux de réduction du système à l'état mesuré ou observé. Toue au contraire, dans l'interprétation d'Everetc, a lieu un embran- chement en univers parallèles.

Dans cette vision, qui n'est pas la plus répandue mais ne peut pas non plus être qualifiée de marginale, à chaque fois qu>un objet quantique interagit avec un objet classique, se produit la création de plusieurs univers: un pour chaque état possible de l'objet quantique. Ainsi, chaque observateur s~ tro.uvant dans un seul univers n'observe qu'une unique situation.

Cette interprétation a longtemps été considérée comme purement métaphysique, sans aucune conséquence obser- vable. La situation a changé depuis quelques années. Sur les pas du physicien Don Page, j'ai montré qu'on peur, en principe, envisager des situations dans lesquelles les deux interprétations sont discernables. Imaginons par exemple que dans l'évolution de l'Univers, lorsqu'il était régi par la physique quantique, deux évolutions aient été possibles. La situation A aurait une probabilité de 0, 1 % et la situation B une probabilité de 99,9 %. Supposons de plus qu>un uni- vers de type A compte néanmoins un milliard d' observa- teurs et que celui de type B en compte seulement 1 O. Pour la vision usuelle, le nombre d'observateurs ne change rien et on doit, très probablement, se trouver dans le monde B, parce qu'il est plus probable. Mais pour la vision d'Everett cous ces univers existent er, en tant qu'observateur, il devient maintenant plus probable que nous nous trouvions dans le monde A. Les deux interprétations conduisent à des prédic- tions différentes.

Qu'est-ce que la gravité?

La gravitation quantique à boucles

Unifier la relativité générale - la ~éorie d~ l' es~ace- s - et la mécanique quantique est 1 un des defis maJeurs

temp ., tre

de la physique depuis un siècle. La prem1ere nou~ mon que l'espace et le temps sont des entités dyna.rruques, en évolution et en interaction avec la matière'. t~nd1s que l~ se- conde nous enseigne que la vision détermm1ste _et c?nnnue de la physique classique doit être revue, en pamculier pour décrire le microcosme.

La gravitation quantique à ?ouc~e~ est une tentative de conciliation de la physique emstem1enne et du m~n~:

. Elle se fonde sur une réécriture de la relauv1te

quanuque. h' ·

générale d'une manière qui la rend comparable aux t ~or~es de physique des particules (ce qu'on ~om~e des theon~s de jauge). Cette approche tente alors d apph~u~r les techm:

ques usuelles de quantification sans ,rec?unr a ~es hypo thèses radicales ou à l'introduction d obJets ,1rasnqu~ment nouveaux. La théorie résultante fait émerger l 1mage d un ~s- pace «granulaire», constitué, d'une certaine façon, de ?en~;

«atomes» composant ce qu'on nomme un réseau de ~pm~.

faut garder à l'esprit que cette vision est une approx1mat1?n intuitive car le caractère quantique impose de penser en rea- lité une superposition de tels réseaux.

Ce modèle a été appliqué aux trous noirs et sem~le e~

mesure d'expliquer la relativement mystérieuse entropie qui leur est associée (c'est-à-dire de comprendr~ ~e'q~e ~ont les

configurations microscopiques dont la relauv1te generale ne permet pas de rendre compte)·

Le lien avec le multivers se révèle lorsqu'.on appliq~e c~tte théorie au Cosmos. En effet, c'est alors le Big Bang lu1-meme

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Notre Univers n'est-il qu'un îlot dans un vaste multivers?

qui disparaît et se trouve remplacé par un grand rebond, un Big Bounce. Il y aurait eu une phase de contraction avant la phase actuelle d'expansion. Peut-être même le phénomène fut-il périodique, conduisant à une sorte de «pulsation». Il s'agirait dans ce cas d'un multivers de nature temporelle, les mondes se faisant suite.

Et, là encore, il est remarquable que la proposition ne soit pas nécessairement intestable. Il est possible que quelques ré- manences de l'époque pré-Big Bounce soient encore visibles, en particulier sous la forme d'ondes gravj rationnelles. À l'heure actuelle, aucune indication expérimentale claire en faveur de la gravitation quantique à boucles ou de la phase de contrac- tion de l'Univers qu'elle prévoit n'a pourtant été décelée. Les recherches se poursuivent et s'annoncent prometteuses.

L'inflation cosmologique

Le modèle standard de la cosmologie incorpore aujourd'hui une phase d'inflation, c'est-à-cüre d'augmentation considé- rable, exponentielle, du facteur d'échelle de l'Univers dans les premiers instants qui suivirent le Big Bang. Cela signifie que la cüstance relative des cüfférems points de l'espace a été multipliée par un facteur immense, sans préjuger de la fini- tude ou de l'infinité de l'Univers. Ce scénario inflationnaire permet de résoudre de nombreuses impasses qui semblaient initialement critiques. Et, au-delà du dépassement des apories, l'inflation permet également de produire les fluc- tuations de densité qui seront à l'origine des grandes struc- tures de l'Univers. Enfin, la physique des particules fournit un cadre dans lequel les caractéristiques spécifiques requises pour que l'inflation ait lieu peuvent être assez naturellement obtenues.

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Or, de façon intéressante, il apparaît que dans les cas les plus simples l'inflation donne naissance à une structure ar- borescente d'univers-bulles. Elle engendre spontanément un multivers. La raison intuitive pour l'existence de cette inflation «éternelle» tient simplement à ce que les régions où l'espace continue de croître exponentiellement sont tou- jours, presque « par définition », exponentiellement plus

«nombreuses» que celles où l'inflation a cessé. Le multivers est donc une conséquence naturelle des modèles d'inflation.

Il n'est pas strictement inévitable mais il faut paradoxale- ment complexifier les modèles pour l'éviter! C'est pourquoi il est d'ailleurs curieux que le multivers soit parfois rejeté au nom du « rasoir d'Okham » ( disons du principe de simplici- té): en réalité il peut apparaître justement dans la version la plus élémentaire des théories. C'était déjà le cas de la phy- sique quantique pour laquelle l'interprétation d'Everett est, en un sens, mathématiquement plus simple.

La théorie des cordes

La théorie des cordes est non seulement une théorie de gra- vitation quantique mais aussi une tentative de théorie unifi- catrice des particules et des interactions fondamentales. Elle est d'une remarquable élégance ec jouie d'un certain nombre de succès quant à sa cohérence interne. Comme la gravita- tion quantique à boucles, aucune indication expérimentale ne vient néanmoins à ce jour la confirmer.

rélaboration théorique requiert (au moins) une hypothèse radicale: l'existence de dimensions supplémentaires. En plus des trois dimensions usuelles, l'espace doit compter six (ou sept) dimensions additionnelles. Ces dimensions étant mani- festement invisibles, elles doivent être très petites, recourbée

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sur elles-mêmes - ce qu'on nomme compactifiées. Or les manières de compacrifier sont très nombreuses, générant des espaces dits de Calabi-Yau. Et ces espaces, conjointement aux flux magnétiques généralisés qui les traversent, conduisent à un très grand nombre de lois physiques effectives possibles.

Cette perspective est fascinante lorsqu'elle est pensée dans le cadre de l'inflation cosmologique. Comme précé- demment évoqué, celle-ci peut créer des bulles d'univers.

Et, si elle est correcte, la théorie des cordes peut «emplir>>

ou structurer ces bulles avec des lois physiques différentes.

S'ensuit un mulrivers vertigineux qui peut induire une évo- lution dans notre manière même de penser la physique.

Considérons par exemple le paradoxe de la constante cosmologique. On observe aujourd'hui que l'expansion cos- mologique accélère. Il est possible de rendre compte de ce phénomène étonnant en considérant qu'une« constante cos- mologique» est présente dans les équations d'Einstein. Mais la valeur mesurée de cette constante est extraordinairement étrange du point de vue théorique. Dans un univers unique il est très délicat d'expliquer cet état de fait. Dans le multi- vers inflacionnaire joint à la théorie des cordes, un nombre gigantesque de valeurs de cette constante sont possibles et donc effectivement réalisées. Le principe anthropique per- met de comprendre pourquoi nous observons autour de nous la très faible valeur qui semblait improbable.

Le principe anthropique

Le principe anthropique porte mal son nom et génère par- fois une réaction brutale de rejet. En réalité, dans la forme qui nous intéresse ici et qui est celle que le physicien de

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l'observatoire de Paris Brandon Carter, son inventeur, a vou- lu lui donner, il n'a rien de scandaleux ou de révolutionnaire.

Contra irement à ce qu'on voit encore souvent écrit ici et là, il ne dit d'aucune manièr e que l'évolution de l'Univers était orientée de façon à permettre l'existence de l'homme. Tout au contraire , il est presque l'exact opposé de cette vision té- léologique, c'est-à-dire finaliste.

Le principe anthropique n'est rien d'autre que le rappel d'une préoccupation permanente en science: la prise en compte - et la correction - des différents biais. Nous rappe- lions précédemment que notre environnement local n'était pas nécessairement représentatif de l'aspect global. Il ne s'agit que de cela: tenir compte de ce qu'en tant que structures complexes nous ne pouvons nous trouver qu'en des lieux ...

compatibles avec l'existence de structures complexes !

li

^{n'y a}

ici rien de magique ou de mystique. Il n'est question que de rigueur. Si de très nombreuses valeurs de la constante cosmo- logique sont effectivement réalisées dans le multivers et que seules les valeurs très faibles permettent l'apparition d'êtres vivan es, il est «normal» que nous observions ces valeurs, en conséquence simple et directe de notre statut.

Est-ce encore de la science?

Le multivers, parfois, suscite une réaction de rejet épider- mique. Irrationnel. Procès en imposture ou en pseudo- science. Très étranges critiques! I.:argumenc le plus usuel est celui suivant lequel il ne s'agirait pas de véritable science parce qu'il ne serait pas falsifiable (ne pourrait pas être mis en défaut), ne satisfaisant pas au fameux principe de scien-,

üficicé de Karl Popper. Plusieurs objections peuvent être émises à l'encontre de ce jugement à l'emporte-pièce.

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Toue d'abord, la science est par définition une pensée dynamique. Plus que toute autre. Ses règles ont inconces- tablemenc évolué au cours du temps et cette capacité à dé- construire ses propres règles est ... Je propre de Ja science!

Figer la démarche dans ce qu'elle est ou a été à un instant de son histoire est exactement antinomique à l'essence du geste scientifique . Sans même mentionner que le critère de Popper est d'ailleurs en lui-même hautement contestable.

De plus, ce n'est pas parce qu'il est impossible d'aller visi- ter les éventuels autres univers (ce qui est vrai) que le muid - vers est intestable ou infalsi.fiable. Le multiver s, en effet, n'est pas une théorie ni une hypothèse mais une conséquence de théorie. Cela change tout. Ce qui doit être mis à l'épreuve est la théorie elle-même, pas chacune de ses conséquences.

Or les différentes théories évoquées, par exemple la gravita- tion quantique à boucles, la théorie des cordes ou la méca- nique quantiqu e, sont a priori testables dans cet univers-ci.

Si elles venaient à être infirmées par une mesure, toutes leurs conséquences, y compri s le multivers qu'elles prédisent, s'évanouiraient. Au contrai re, si ces théories venaient à être suffisamment bien corrobo rées ou confirmées pour devenir nos modèles dominants, il y aurait quelque chose de fon- cièrement incohérent à leur dénier cette prédiction qui, de plus, résout certaines apories de physique théorique.

Il est en princip e possible de faire des prédictions quan- titatives dans le multivers. Supposons que le « paysage soit connu», c'est-à-dire que la probabilité d'apparition des dif- férents types d'univers puisse être calculée. Supposons que le nombre d'observateurs dans chacun de ces univers soit aussi connu. Alors il est possible de calculer la probabilité que nous observions le monde tel qu'il est et donc de mettre le

Qu'est-ce que la gravité?

modèle à l'épreuve. Naturellement ces calculs sont extrême- ment complexes et posent des questions aiguës, aussi bien conceptuelles que techniques. Définir une mesure dans le multivers n'est pas simple!

Il n'y a pas ici de mutation épistémologique radicale. S'il existe un grand nombre ou une infinité d'univers, notre monde ne constitue qu'un échantillon. Nous n'avons donc accès qu'à une partie infime de la totalité. Les confirmations ou exclusions ne pourront donc être menées que de façon

«statistique», suivant un certain intervalle de con.fiance.

Mais il n'y a ici non plus rien de nouveau: toutes les expé- riences de physique, qu'il s'agisse de la découverte du boson de Higgs ou des ondes gravitationnelles, ne parlent qu'à un certain «niveau de con.fiance». La certitude absolue ne fait pas partie des sciences de la nature.

Même pour évaluer une théorie concernant notre Univers - par exemple un modèle d'inflation - il est impor- tant de tenir compte del' existence - ou non - d'un multivers.

Le multivers existe-t-il?

Personne ne sait si le multivers est réel. S'il existe.

Mais, incontestablement, il apparaît dans un grand nombre de théories raisonnables, très spéculatives pour cer- taines, bien ancrées dans la science contemporaine pour d'autres. Étonnamment, cette idée de multivers condense certaines crispations. Elle semble faire peur. Certains y voient une imposture. C'est pourtant le propre de la pen- sée en général, et de la science en particulier, que de devoir explorer les sentiers non encore parcourus, fût-ce pour re- brousser chemin en cours de route.

Notre Univers n'est-il qu'un îlot dans un vaste multîvers?

Le multivers n'est pas en tant que tel une révolution épis- témologique. Il ne remet pas en cause des bases de la mé- th.ode, (aussi ~al définie soit-elle) scientifique. Mais il pour- ra1t, c est vrai, engendrer une évolution intéressante dans la manière de penser les liens entre nécessité et contingence

encre lois et phénomènes. '

L'~njeu es~

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^{la fois} scientifique et philosophique. La quesnon est emmemment passionnante et requiert de faire preuve de nuance et de subtilité.