Les univers parallèles et les lois du cosmos

Notre univers ne serait pas unique mais multiple. D’autres versions de nous existeraient ailleurs. Certaines seraient identiques en tout point. D’autres, différentes. Les sciences modernes explorent ces éventualités depuis plusieurs décennies. Les théories sur les univers parallèles et les lois du cosmos sont fascinantes et changent radicalement notre compréhension de la réalité.

Brian Greene, professeur de physique et de mathématiques à l’université Columbia de New York, nous explique ces théories dans un livre remarquable « La réalité cachée – Les univers parallèles et les lois du cosmos » et le dernier épisode de la série documentaire « La magie du cosmos » dont cette vidéo est extraite.

 

La réalité cachée - Les univers parallèles et les lois du cosmos

« C’est sans aucun doute le premier livre scientifique à explorer de façon aussi brillante l’idée d’univers parallèles, qui semblait jusqu’à présent n’appartenir qu’à la science-fiction. Notre univers ne serait pas du tout ce que nous avons appris à croire. Au-delà de ce que nous avons tous vu en images – étoiles, galaxies, groupes de galaxies, etc. –, il existerait une « réalité cachée », invisible à nos yeux mais aussi – du moins pour l’instant – à nos instruments d’observation, télescopes, satellites…

De quoi s’agit-il et pourquoi les scientifiques ont-ils aujourd’hui pareille idée en tête, qui semble relever de la seule science-fiction ? Comment peuvent-ils même en parler ? C’est ce que Brian Greene nous fait découvrir ici avec une pédagogie hors pair, rappelant les apports inattendus d’Einstein dans le domaine.

En clair, notre « univers » a beau contenir tous les objets célestes et rayonnements connus, il ne serait, en réalité, qu’une petite partie d’un bien plus vaste ensemble. Il y aurait abondance d’autres univers, parallèles, tous faisant partie de ce qu’il est désormais convenu d’appeler un « multivers », ou « multi-univers ».

Pas moins de neuf théories physico-mathématiques différentes, qui impliquent l’existence d’un tel concept, sont exposées ici. Cet étrange objet théorique est-il fini ? Est-il infini ? Nul ne le sait mais les hypothèses varient selon les équations et les calculs. Et la représentation même de cette fameuse « réalité cachée » est incroyablement diverse.

L’auteur, spécialiste mondialement connu pour ses travaux sur la théorie des cordes, a un petit faible pour des univers qui seraient tout proches du nôtre, peut-être à quelques millimètres seulement, mais nous demeurant invisibles. Ils se dissimuleraient en effet dans des « branes », sortes de « membranes » liées à l’existence dans l’espace d’un nombre de dimensions au-delà des trois auxquelles nous avons affaire dans notre vie quotidienne.

Mais il existe bien d’autres hypothèses… Comment être sûrs que notre univers ne soit pas une sorte d’hologramme, comme notre récente compréhension des trous noirs pourrait le suggérer ? Ou que des milliards de milliards de « bulles-univers » n’aient pas surgi lors du Big Bang, notre univers n’en étant qu’une parmi une myriade d’autres ? Nombre d’entre elles pouvant présenter des caractéristiques physiques différentes. Cela semble incroyable mais les équations admettent cette diversité comme solution !

Ainsi que le souligne Brian Greene, il est donc possible que nous assistions aujourd’hui à une nouvelle révolution cosmologique et… mentale. De même que la Terre, jadis, perdit son statut de centre du monde, puis notre Soleil, puis notre galaxie…, notre propre univers, à son tour, pourrait perdre son statut d’ensemble unique et central pour ne devenir qu’un parmi d’autres. Une perspective bouleversante. »

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L’univers et les univers

À une époque, « l’univers » signifiait « l’ensemble de ce qui existe ». De tout ce qui existe ! Tout et le reste. L’idée que puisse exister plus d’un univers, plus d’un « tout ce qui existe », représentait une contradiction sémantique. Et pourtant, toute une série de travaux théoriques modifièrent progressivement l’interprétation du terme « univers ». Le sens de ce mot dépend désormais du contexte. Parfois, « univers » représente toujours tout et absolument tout. « Univers » peut aussi ne faire référence qu’aux parties du tout accessibles par des gens comme vous et moi. Enfin, « univers » décrit d’autres domaines hors d’atteinte pour nous, que ce soit partiellement ou complètement, temporairement ou éternellement. Cette utilisation du mot relègue notre univers au rang de simple membre d’une vaste collection, possiblement infinie.

Privé de son hégémonie, « univers » s’accompagne désormais d’autres termes censés décrire la toile à grande échelle sur laquelle pourrait être peinte la totalité de la réalité. Mondes parallèles ou univers parallèles ; méta-, méga- ou multi-univers… autant de synonymes parmi les mots utilisés pour décrire non seulement notre univers mais tout un spectre d’autres univers susceptibles d’exister.

Vous noterez que les termes sont quelque peu vagues. Qu’est-ce exactement qu’un monde ou un univers ? Sur quels critères distingue-t-on les parties d’un même univers et fait-on la différence avec ce qui constitue un ensemble d’univers parallèles ? Un jour peut-être notre compréhension des univers multiples sera suffisante pour nous permettre de répondre avec précision à ces questions. Pour l’instant, nous éviterons de nous empêtrer dans des définitions abstraites et adopterons la fameuse approche du juge Potter Stewart pour définir la pornographie : alors que l’on s’efforçait, à la Cour suprême des États-Unis, d’en trouver une définition, Stewart aurait déclaré : « Je le saurai en le regardant ».

En fin de compte, qualifier un domaine ou un autre d’univers parallèle n’est qu’une question de sémantique. Ce qui compte vraiment, le cœur du sujet, c’est de savoir s’il existe des mondes défiant les conventions, des mondes qui laisseraient à penser que ce que nous avons longtemps considéré comme le seul univers ne serait qu’une partie d’une réalité beaucoup plus vaste, probablement beaucoup plus étrange et largement dissimulée.

De la diversité des univers parallèles

Ce qui est frappant (et c’est aussi l’une des raisons qui m’ont poussé à écrire ce livre), c’est que la majorité des avancées en physique théorique et fondamentale nous ont conduits à l’un ou l’autre type d’univers parallèle (que ce soit en relativité, en physique quantique, en cosmologie, en théorie de l’informatique…). En effet, les chapitres à venir aboutiront à neuf variations sur le thème du multi-univers. Chacune envisage notre univers comme une partie d’un tout beaucoup plus vaste, mais la complexité de ce tout et la nature de ses univers-membres sont chaque fois différentes. Pour certains, les univers parallèles sont séparés de nous par de gigantesques étendues d’espace ou de temps ; pour d’autres, ils errent à quelques millimètres ; pour d’autres encore, la notion même de position n’a tout bonnement pas de sens. On retrouve cette même diversité de possibles dans les lois qui régissent ces univers parallèles. Dans l’un, les lois sont les mêmes que dans notre univers ; dans d’autres, les lois semblent différentes mais ont néanmoins un héritage commun ; dans d’autres encore, la forme et la construction de ces lois ne ressemblent à rien de ce que nous connaissons. Penser à cette diversité de la réalité inspire autant l’humilité que l’enthousiasme.

Les premières incursions scientifiques dans les mondes parallèles datent des années 1950, avec des recherches sur certains aspects de la mécanique quantique, élaborée pour expliquer les phénomènes qui régissent les atomes et les particules subatomiques. La mécanique quantique rompait avec la tradition scientifique de la mécanique classique, en posant que les prédictions scientifiques ne pouvaient être que probabilistes : si nous pouvons calculer les chances que tel ou tel événement ait lieu, nous ne pouvons pas prédire lequel aura bel et bien lieu. Ce changement radical qui vient bouleverser la pensée scientifique en vigueur depuis des centaines d’années est déjà surprenant. Un autre aspect de la théorie quantique est encore plus déconcertant, mais attire moins l’attention : malgré des années d’étude minutieuse de la théorie quantique, malgré une foultitude de données en faveur de ses prédictions probabilistes, personne n’a jamais su expliquer pourquoi une seule des nombreuses issues possibles à une situation donnée a finalement lieu. Lorsque nous menons des expériences, lorsque nous explorons notre monde, cela fait l’unanimité : nous rencontrons une seule et unique réalité. Et pourtant, plus d’un siècle après la révolution quantique, il n’y a toujours pas de consensus au sein de la communauté des physiciens sur la compatibilité de ce fait élémentaire avec l’expression mathématique de la théorie.

Au fil des années, cette importante lacune dans notre compréhension des choses a inspiré de nombreuses propositions, mais ce sont les premières qui restent les plus étonnantes. À savoir l’idée que la notion habituelle en vertu de laquelle toute expérience devait avoir une et une seule issue était inexacte. Les mathématiques qui sous-tendent la mécanique quantique – ou tout au moins l’un de leurs aspects – suggèrent que toutes les issues possibles pourraient avoir lieu, chacune dans son propre univers distinct. Si un calcul quantique prédit qu’une particule peut être à tel endroit ou à tel autre, alors c’est que dans un premier univers elle est bien à tel endroit, et dans un autre univers, elle est à tel autre. Ainsi, dans chacun de ces univers, il existe une copie de nous-mêmes observant telle ou telle issue à l’expérience, et pensant (à tort) que sa réalité est la seule réalité. Lorsque l’on comprend que la mécanique quantique est sous-jacente à tous les processus physiques, depuis la fusion atomique au cœur du Soleil jusqu’aux impulsions neuronales responsables de la pensée humaine, les implications de cette proposition prennent tout leur sens : un chemin jamais emprunté, cela n’existe pas. Sauf que chaque chemin – chaque réalité – est dissimulé à tous les autres.

Cette approche si séduisante de la théorie quantique par les mondes multiples a fortement retenu l’attention des chercheurs ces dernières décennies. Mais tous leurs travaux révèlent une théorie subtile et épineuse (comme nous le verrons au chapitre 8), si bien qu’aujourd’hui, même après plus d’un demi-siècle d’investigations, ce qui a été proposé reste très controversé. Certains chercheurs estiment que ces idées ont déjà été validées, d’autres clament avec autant d’aplomb que les mathématiques sous-jacentes ne tiennent pas la route.

Malgré ces incertitudes scientifiques, cette version originelle des univers parallèles résonne avec les histoires alternatives ou les royaumes cachés que l’on trouve épisodiquement dans la littérature ou le cinéma, encore aujourd’hui. (Mes favoris, depuis l’enfance, comptent Le Magicien d’Oz, La vie est belle, l’épisode de Star Trek « Contretemps », la nouvelle de Borges intitulée Le Jardin aux sentiers qui bifurquent et plus récemment les films Pile et Face et Cours, Lola, cours.) Collectivement, toutes ces œuvres de la culture populaire ont contribué à diffuser le concept d’univers parallèles dans « l’esprit de l’époque », et à alimenter la fascination du public à son égard. Mais la mécanique quantique n’est qu’une manière parmi beaucoup d’autres en physique moderne de concevoir des univers parallèles. Et d’ailleurs je ne la présenterai pas en premier.

Dans le chapitre 2, je commencerai par une autre voie vers les univers parallèles, qui est peut-être la plus simple de toutes. Nous verrons que si l’espace s’étend à l’infini (hypothèse qui est en accord avec toutes nos observations et qui réside au cœur du modèle cosmologique privilégié par de très nombreux chercheurs en physique et en astronomie), alors, tout là-bas, au loin (mais alors vraiment très loin), il doit exister des domaines où des copies de nous-mêmes et de tout ce qui fait notre monde vivent des versions différentes de la réalité que nous vivons ici.

Le chapitre 3 nous conduira vers les profondeurs de la cosmologie : la théorie inflationnaire, qui suppose une énorme salve d’expansion spatiale hyperrapide dans les premiers instants de l’univers, produit sa propre version des mondes parallèles. Si la théorie de l’inflation se révèle exacte, ce que suggèrent les dernières observations astronomiques, l’explosion qui aurait engendré notre région de l’espace pourrait ne pas avoir été un cas isolé. En fait, aujourd’hui même, une expansion inflationnaire pourrait avoir lieu dans des domaines très lointains et produire univers sur univers, de façon continue et pour l’éternité. Qui plus est, chacun de ces univers en pleine dilatation possède sa propre étendue spatiale infinie, et recèle donc un nombre infini de mondes parallèles du type de ceux du chapitre 2.

Dans le chapitre 4, nous rejoindrons dans notre périple la théorie des cordes. Après un bref rappel de ses fondamentaux, je ferai un état des lieux sur sa proposition de l’unification de toutes les forces de la nature. Forts de cet éclairage, nous explorerons aux chapitres 5 et 6 certaines avancées récentes en théorie des cordes, qui suggèrent l’existence de trois nouveaux types d’univers parallèles. L’un d’eux est le scénario des mondes de branes, qui voit notre univers comme une « plaque » parmi de nombreuses autres, flottant dans un espace de plus haute dimensionnalité, un peu comme une tranche d’un immense pain cosmique[1]. Avec un peu de chance, ce modèle pourrait avoir des conséquences observables dans un futur proche grâce au LHC, le grand collisionneur de hadrons du CERN, à Genève. Un autre scénario est celui de la collision de mondes de branes, réduisant à néant tout ce que chaque brane contenait pour initier un nouveau départ façon big bang pour chacune. Comme deux mains gigantesques qui applaudissent, cette collision pourrait se reproduire encore et encore : deux branes se heurtent et s’éloignent par effet rebond, puis s’attirent mutuellement par la gravitation et se heurtent à nouveau, dans un processus cyclique qui fabrique des univers parallèles non dans l’espace mais dans le temps. Le troisième scénario est celui du « paysage » de la théorie des cordes, tenant compte du nombre considérable de formes et de tailles possibles pour la théorie du fait qu’elle nécessite des dimensions spatiales supplémentaires. Nous verrons qu’associé au multi-univers inflationnaire, le paysage de la théorie des cordes suggère une énorme collection d’univers, dans laquelle chaque forme possible des dimensions supplémentaires est réalisée.

Au chapitre 6, nous regarderons de quelle lumière ces considérations éclairent l’un des résultats d’observation les plus étonnants du siècle passé : le fait que l’espace serait empli d’une énergie diffuse, uniforme, qui pourrait être une version de la constante cosmologique d’Einstein. Cette observation a inspiré bon nombre des travaux récents sur les univers parallèles, et elle est à l’origine de l’un des débats les plus virulents sur la nature de l’explication scientifique. Le chapitre 7 va plus loin en posant la question plus fondamentale de savoir si les travaux sur les univers au-delà du nôtre peuvent être considérés comme une branche de la recherche scientifique. Car pouvons-nous tester ces idées ? Si nous les utilisons pour résoudre nos problèmes en suspens, aurons-nous progressé ou simplement balayé ces énigmes sous des tapis cosmiques confortablement hors d’atteinte ? J’ai tenté de mettre à nu les fondamentaux de ces propositions et de mettre en valeur le fait que, sous certaines conditions, les univers parallèles tombent sans équivoque sous l’égide de la science.

La mécanique quantique, avec sa version des univers parallèles que sont les mondes multiples, fera l’objet du chapitre 8. Je rappellerai brièvement les fondamentaux de la mécanique quantique avant de me consacrer à l’un de ses plus gros écueils : comment obtenir une issue claire et nette, à partir d’une théorie dont le principe fondateur autorise la coexistence d’une multitude de réalités contradictoires en un brouillard probabiliste informe – et pourtant très précis mathématiquement parlant. Nous progresserons prudemment dans le raisonnement qui, en cherchant une réponse, propose d’ancrer la théorie quantique dans sa propre profusion de mondes parallèles.

Le chapitre 9 nous emmènera plus loin dans la réalité quantique, jusqu’à ce que je considère comme la plus étrange des propositions d’univers parallèles. Celle-ci a vu le jour de façon progressive après plus de trente années de recherches théoriques sur les propriétés quantiques des trous noirs. Ces travaux ont connu leur apogée il y a une dizaine d’années, avec un résultat étonnant issu de la théorie des cordes : tout ce que nous vivons ne serait qu’une projection holographique de processus qui se dérouleraient sur une lointaine surface tout autour de nous. Nous pouvons nous pincer et le ressentir en vrai, mais cet événement n’est que le reflet d’un événement parallèle d’une réalité différente, à distance.

Enfin, dans le chapitre 10, c’est l’éventualité plus farfelue des univers artificiels qui occupera le devant de la scène. La question de savoir si les lois de la physique laissent la possibilité de fabriquer de nouveaux univers sera notre première préoccupation. Nous nous tournerons ensuite vers les univers créés non pas en hardware, mais en software, c’est-à-dire des simulations réalisées grâce à des superordinateurs très perfectionnés ; nous verrons alors comment nous convaincre que nous ne vivons pas dans une simulation produite par d’autres que nous – autres créatures ou autres choses. Cela nous emmènera jusqu’à la proposition la plus audacieuse au sujet des univers parallèles, prenant source dans la communauté des philosophes : l’idée selon laquelle chaque univers possible se réalise quelque part dans ce qui est à coup sûr le plus grandiose de tous les multi-univers. La discussion s’ouvrira naturellement sur le rôle des mathématiques dans la révélation des mystères de la science et, finalement, sur notre capacité ou impossibilité à accéder à une compréhension toujours approfondie de la réalité.

L’ordre cosmique

La question des univers parallèles est extrêmement spéculative. Aucune expérience ni observation n’a démontré la réalisation ne serait-ce que d’une seule version de cette idée. En écrivant ce livre, je ne cherche pas à convaincre que nous faisons partie d’un multi-univers. Moi-même je ne suis convaincu – et, plus généralement, personne de devrait l’être – par rien qui ne soit démontré par des données fiables. Cela étant, je trouve à la fois curieux et passionnant que beaucoup de progrès en physique, lorsqu’ils sont menés suffisamment loin, se heurtent à une variante ou une autre du thème des univers parallèles. Ce n’est pas que les physiciens soient à l’affût, leur filet à multi-univers en main, de la première théorie venue qui pourrait s’accorder, même bizarrement, avec un modèle d’univers parallèles. En fait, toutes les propositions d’univers parallèles que nous envisagerons avec sérieux s’imposent d’elles-mêmes, fondées sur les mathématiques sous-jacentes aux théories élaborées dans le but d’expliquer les données et les observations conventionnelles.

Ainsi mon intention est de faire un point clair et précis des étapes intellectuelles et de la cascade de raisonnements théoriques qui ont conduit les physiciens, même avec des spécialités très diverses, à considérer que notre univers pourrait être un parmi d’autres. Je souhaite transmettre la manière dont les recherches scientifiques modernes (et non des fantasmes délurés comme les rêveries catoptriques de mon enfance) en arrivent naturellement à cette éventualité incroyable. Je souhaite montrer combien certaines observations, incompréhensibles par ailleurs, prennent tout leur sens lorsqu’elles sont interprétées dans le cadre de l’une ou l’autre théorie d’univers parallèles. Dans le même temps, je décrirai les principales questions sans réponse qui ont, jusqu’à présent, entravé la pleine réalisation de ces modèles. Mon objectif est qu’en refermant ce livre, chacun ait une vision plus riche et plus vivante des possibles – de la possibilité que les limites de la réalité pourraient un jour être redessinées par les avancées scientifiques en cours.

D’aucuns répugnent à accepter la notion de mondes parallèles. À leurs yeux, notre appartenance à un multi-univers revient à marginaliser notre place et notre importance dans l’univers. Je ne vois pas les choses de cette façon. Il n’y a selon moi aucun intérêt à mesurer notre importance au regard du fait que nous soyons relativement nombreux. Au contraire, ce qui est flatteur dans notre humanité, ce qui est motivant dans notre entreprise scientifique, c’est notre capacité à utiliser la pensée analytique pour franchir des distances considérables, voyager dans l’espace connu et inconnu, et peut-être même – si tant est que certaines des idées présentées dans ces pages se révèlent correctes – au-delà de notre univers. À mon sens, c’est la profondeur de notre compréhension, acquise grâce à notre point de vue unique sur cet univers si calme et si noir, si froid et si menaçant, c’est cette profondeur qui résonne dans toute l’étendue de la réalité et marque le chemin parcouru.

[1] L’idée que notre univers est comme une tranche flottant dans un domaine de plus haute dimensionnalité fut proposée dans un article de deux célèbres physiciens russes – « Do We Live Inside a Domain Wall ? », V. A. Rubakov et M. E. Shaposhnikov, Physics Letters B 125 (Mai 26 1983) : 136 – sans lien avec la théorie des cordes. La version que je présenterai au chapitre 5 date du milieu des années 1990 et découle de travaux dans le domaine de la théorie des cordes.

Extrait de : La réalité cachée – Les univers parallèles et les lois du cosmos, Brian Greene

 

En savoir plus sur les Univers multiples avec Aurélien Barrau

 

 

Une réflexion sur « Les univers parallèles et les lois du cosmos »

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