Le regretté physicien Stephen Hawking m'a d'abord demandé de travailler avec lui pour développer "une nouvelle théorie quantique de la Big Bang” en 1998. Ce qui a commencé comme un projet de doctorat s'est transformé en une vingtaine d'années en une intense collaboration qui s'est terminée seulement avec son décès le mars 14, 2018.
L'énigme au centre de nos recherches tout au long de cette période était de savoir comment le Big Bang aurait pu créer des conditions si parfaitement hospitalières à la vie. Notre réponse est d'être publié dans un nouveau livre, À l'origine du temps : la dernière théorie de Stephen Hawking.
Les questions sur l'origine ultime du cosmos, ou univers, font sortir la physique de sa zone de confort. Pourtant, c'était exactement là où Hawking aimait s'aventurer. La perspective - ou l'espoir - de résoudre l'énigme de la conception cosmique a conduit une grande partie des recherches de Hawking en cosmologie. « Pour aller hardiment où Star Trek craint de marcher » était sa devise et aussi son économiseur d'écran.
Notre quête scientifique commune a fait que nous nous sommes inévitablement rapprochés. En l'entourant, on ne pouvait manquer d'être influencé par sa détermination et son optimisme que nous pouvions aborder des questions mystifiantes. Il m'a donné l'impression que nous écrivions notre propre histoire de création, ce que, dans un sens, nous avons fait.
Autrefois, on pensait que la conception apparente du cosmos signifiait qu'il devait y avoir un concepteur - un Dieu. Aujourd'hui, les scientifiques se réfèrent plutôt aux lois de la physique. Ces lois ont un certain nombre de propriétés génératrices de vie frappantes. Prenez la quantité de matière et d'énergie dans l'univers, les rapports délicats des forces ou le nombre de dimensions spatiales.
Physiciens a découvert que si vous modifiez légèrement ces propriétés, cela rend l'univers sans vie. C'est presque comme si l'univers était une solution, même une grande.
Mais d'où viennent les lois de la physique ? D'Albert Einstein à Hawking dans ses travaux antérieurs, la plupart des physiciens du XXe siècle considéraient les relations mathématiques qui sous-tendent les lois physiques comme des vérités éternelles. De ce point de vue, la conception apparente du cosmos est une question de nécessité mathématique. L'univers est comme il est parce que la nature n'avait pas le choix.
Au tournant du 21e siècle, une explication différente a émergé. Peut-être vivons-nous dans un multivers, un espace énorme qui engendre un patchwork d'univers, chacun avec son propre type de Big Bang et de physique. Il serait logique, statistiquement, que quelques-uns de ces univers soient favorables à la vie.
Cependant, bientôt de telles réflexions multivers se sont retrouvées prises dans un spirale de paradoxes et aucune prédiction vérifiable.
Tourner la cosmologie à l'envers
Peut-on faire mieux ? Oui, Hawking et moi l'avons découvert, mais seulement en abandonnant l'idée, inhérente à la cosmologie multivers, que nos théories physiques peuvent adopter une vision divine, comme si elles se tenaient à l'extérieur du cosmos tout entier.
C'est un point évident et apparemment tautologique : la théorie cosmologique doit rendre compte du fait que nous existons dans l'univers. "Nous ne sommes pas des anges qui regardent l'univers de l'extérieur", m'a dit Hawking. "Nos théories ne sont jamais découplées de nous."
Nous avons entrepris de repenser la cosmologie du point de vue d'un observateur. Cela nécessitait d'adopter les règles étranges de mécanique quantique, qui régissent le micromonde des particules et des atomes.
Selon la mécanique quantique, les particules peuvent se trouver à plusieurs endroits possibles en même temps, une propriété appelée superposition. Ce n'est que lorsqu'une particule est observée qu'elle choisit (au hasard) une position définie. La mécanique quantique implique également des sauts et des fluctuations aléatoires, tels que des particules sortant de l'espace vide et disparaissant à nouveau.
Dans un univers quantique, par conséquent, un passé et un futur tangibles émergent d'un brouillard de possibilités au moyen d'un processus continu d'observation. De telles observations quantiques n'ont pas besoin d'être effectuées par des humains. L'environnement ou même une seule particule peut "observer".
D'innombrables actes d'observation quantiques de ce type transforment constamment ce qui pourrait être en ce qui se passe, entraînant ainsi l'univers plus fermement dans l'existence. Et une fois que quelque chose a été observé, toutes les autres possibilités deviennent sans objet.
Nous avons découvert qu'en regardant les premières étapes de l'univers à travers une lentille quantique, il existe un niveau d'évolution plus profond dans lequel même les lois de la physique changent et évoluent, en synchronisation avec l'univers qui prend forme. De plus, cette méta-évolution a une saveur darwinienne.
La variation entre parce que des sauts quantiques aléatoires provoquent des écarts fréquents par rapport à ce qui est le plus probable. La sélection entre car certaines de ces excursions peuvent être amplifiées et figées, grâce à l'observation quantique. L'interaction entre ces deux forces concurrentes - la variation et la sélection - dans l'univers primitif a produit un arbre ramifié de lois physiques.
Le résultat est une profonde révision des fondamentaux de la cosmologie. Les cosmologistes commencent généralement par supposer des lois et des conditions initiales qui existaient au moment de la Big Bang, puis considérez comment l'univers d'aujourd'hui a évolué à partir d'eux. Mais nous suggérons que ces lois sont elles-mêmes le résultat de l'évolution.
Les dimensions, les forces et les espèces de particules se transmutent et se diversifient dans la fournaise du Big Bang chaud - quelque peu analogue à la façon dont les espèces biologiques émergent des milliards d'années plus tard - et acquièrent leur forme effective au fil du temps.
De plus, le caractère aléatoire impliqué signifie que le résultat de cette évolution - l'ensemble spécifique de lois physiques qui fait de notre univers ce qu'il est -ne peut être compris que rétrospectivement.
Dans un certain sens, l'univers primitif était une superposition d'un nombre énorme de mondes possibles. Mais nous regardons l'univers aujourd'hui à une époque où les humains, les galaxies et les planètes existent. Cela signifie que nous voyons l'histoire qui a conduit à notre évolution.
Nous observons des paramètres avec des « valeurs chanceuses ». Mais nous avons tort de supposer qu'ils ont été conçus d'une manière ou d'une autre ou toujours comme ça.
Le problème avec le temps
Le nœud de notre hypothèse est que, en raisonnant à rebours dans le temps, l'évolution vers plus de simplicité et moins de structure se poursuit tout du long. Finalement, même le temps et, avec lui, les lois physiques s'estompent.
Ce point de vue est particulièrement corroboré par la forme holographique de notre théorie. Le "principe holographique" en physique prédit que, tout comme un hologramme semble avoir trois dimensions alors qu'il n'est en fait codé qu'en deux dimensions, l'évolution de l'univers entier est également codée sur une surface abstraite et intemporelle.
Hawking et moi voyons le temps et la causalité comme « qualités émergentes », n'ayant pas d'existence préalable mais résultant des interactions entre d'innombrables particules quantiques. C'est un peu comme la façon dont la température émerge de nombreux atomes se déplaçant collectivement, même si aucun atome n'a de température.
On s'aventure dans le temps en faisant un zoom arrière et en jetant un regard plus flou sur l'hologramme. Finalement, cependant, on perd toutes les informations encodées dans l'hologramme. Ce serait l'origine du temps, le Big Bang.
Pendant près d'un siècle, nous avons étudié l'origine de l'univers dans le contexte stable des lois immuables de la nature. Mais notre théorie lit l'histoire de l'univers de l'intérieur et comme une histoire qui inclut, à ses débuts, la généalogie des lois physiques. Ce ne sont pas les lois en tant que telles mais leur capacité à transmuter qui a le dernier mot.
De futures observations cosmologiques pourraient en apporter la preuve. Par exemple, des observations de précision de ondes gravitationnelles- des ondulations dans le tissu de l'espace-temps - peuvent révéler des signatures de certaines des premières branches de l'univers. Si elle est repérée, la finale cosmologique de Hawking pourrait bien s'avérer être son plus grand héritage scientifique.
Cet article est republié de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lis le article original.
Crédit image: FélixMittermeier de Pixabay
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