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6. Le multivers

Appartenant jadis à la science-fiction, le concept de multivers est aujourd’hui un sujet d’étude extrêmement sérieux en physique théorique et en cosmologie. Les physiciens se sont en effet rendus compte que l’hypothèse du multivers émergeait naturellement de certaines théories par ailleurs mathématiquement et physiquement cohérentes. Bien que le multivers soit prévu par un certain nombre de modèles, aucune preuve expérimentale de son existence n’a encore été produite.

Le multivers doit être distingué des univers parallèles et des dimensions supplémentaires. Les univers parallèles désignent les mondes multiples de la théorie d’Everett ; celle-ci stipule que lors de la mesure d’un système quantique, les états non-choisis ne disparaissent pas de la réalité mais restent enfermés dans des univers parallèles inaccessibles au nôtre. Quant aux dimensions supplémentaires, il s’agit de dimensions spatiales au-delà des trois composant notre espace-temps, retrouvées majoritairement en théorie des cordes.

Qu’est-ce qu’un multivers alors ? Cette notion renvoie à l’existence d’univers côtoyant le nôtre – et différents ou semblables au nôtre -, soit au sein d’un univers plus grand appelé « bulk », soit au sein d’un espace extra-dimensionnel indéfini. Le multivers émerge naturellement de théories comme le modèle de l’inflation éternelle d’Andreï Linde, dans lequel plusieurs « univers bulles » apparaissent lors de l’inflation, ou encore comme le modèle branaire de la théorie des supercordes, dans lequel les univers sont contenus dans des branes au sein d’un super-univers (le bulk).

7. Le paradoxe de l’information

Que devient l’information une fois absorbée par un trou noir ? Si en relativité générale la question ne se pose pas, il en va autrement en mécanique quantique, pour laquelle la conservation de l’information est un principe fondamental. En effet, en mécanique quantique, les états d’un système doivent toujours pouvoir être retrouvés. C’est pourquoi l’équation de Schrödinger, qui décrit l’évolution d’un système quantique, est unitaire et réversible dans le temps.

Dans l’univers, les physiciens observent ce principe de conservation de l’information en permanence. Cependant, un doute demeure sur les trous noirs. Cette question du devenir de l’information a été soulevée pour la première fois en 1976 par le physicien Stephen Hawking, qui montrait alors que les trous noirs s’évaporaient et emportaient donc définitivement l’information avec eux sans la restituer.

Aujourd’hui, plusieurs solutions théoriques sont avancées pour résoudre le paradoxe de l’information. Trois hypothèses principales doivent être présentées ici. La première fait appel à la notion d’émission stimulée appliquée au vide ; lorsqu’une particule émerge du vide, une copie de celle-ci apparaît également. Ainsi, même si l’une des deux est absorbée par le trou noir dans le processus du rayonnement de Hawking, l’autre peut s’échapper tout en conservant l’information de la particule piégée.

information trou noir

Grâce aux travaux de Jacob Bekenstein et de Stephen Hawking, la surface d’un trou noir peut être décomposée en aires de Planck, formant un quadrillage, et stockant 1 bit d’information chacune. Crédits : T.B. Bakker/ Dr. J.P. van der Schaar, Universiteit van Amsterdam

La seconde fait appel au principe holographique. L’information d’un objet 3D tombant dans le trou noir est encodée à sa surface en 2D ; surface elle-même décomposée en aires de Planck, chacune pouvant stocker 1 bit d’information. Une fois l’évaporation terminée, l’information est restituée par projection holographique. La troisième hypothèse fait appel à la notion de boucles rétro-causales, permettant d’encoder l’information dans des liens futur-passé ; cette solution utilise le formalisme de la gravité semi-classique.

8. La gravité quantique

L’existence de singularités au sein de la relativité générale indique une limite de la théorie d’Einstein ; lorsqu’il s’agit de décrire l’intérieur des trous noirs ou le moment du Big Bang, les équations d’Einstein deviennent insuffisantes, elles sont incomplètes. Cette limite provient du fait qu’au cours de ces phénomènes extrêmement intenses, la gravité présente des effets quantiques. La gravité doit donc pouvoir être décrite dans le formalisme de la mécanique quantique.

L’unification de la relativité générale et de la mécanique quantique passe par le développement d’une théorie de la gravité quantique. Une telle théorie est nécessaire pour rendre correctement compte, mathématiquement et physiquement, de certains processus conduisant à l’émergence de singularités dans le cas de la relativité seule. D’ailleurs, l’un des objectifs principaux d’une théorie de la gravité quantique réside justement dans la suppression de ces singularités.

Il existe actuellement plusieurs théories de la gravité quantique, toutes en développement et encore loin de l’aboutissement. Les deux théories majeures sont la gravitation quantique à boucles et la théorie des supercordes ; dans la première, les singularités sont remplacées par des rebonds quantique, tandis que dans la seconde, elles sont remplacées par des agrégats (condensats) de supercordes.

Cependant, il ne s’agit pas là des deux seules théories. L’on peut également citer la géométrie non-commutative du mathématicien français Alain Connes, qui décrit l’espace-temps en termes de relations conjuguées d’opérateurs non-commutatifs, la gravité arc-en-ciel impliquant un comportement gravitationnel des photons différents selon leur longueur d’onde, ou encore la triangulation non-causale.

9. La nature du chaos

L’univers est-il un chaos ordonné ou un ordre chaotique ? Certains phénomènes physiques sont relativement simples à prédire tandis que d’autres sont tout simplement imprédictibles. Parfois même avec des calculs précis, des données fiables et des observations concluantes, les prédictions effectuées s’avèrent totalement différentes du résultat attendu (la météo en est le meilleur exemple).

Bien que les modèles informatiques étudiant la théorie du chaos aient évolué au cours de ces dernières années, les physiciens n’ont toujours pas mis en évidence de principe chaotique sous-jacent dans l’univers. Depuis l’avènement de la thermodynamique, nous savons que l’entropie (le désordre pour ainsi dire) ne peut qu’augmenter dans un système physique, mais l’univers ne semble pas toujours démontrer un tel chaos grandissant. Certaines structures ordonnées sont naturellement observables et ne présument pas d’un chaos intrinsèque.

10. La théorie du tout

Selon le modèle du Big Bang, au cours de l’ère de Planck, les quatre interactions fondamentales – l’électromagnétisme, les interactions nucléaire faible et forte, et la gravitation – étaient unifiées en une seule « super interaction ». Une théorie hypothétique qui parviendrait à décrire cette unification est naturellement appelée « théorie du tout ». Véritable fantasme des physiciens, cette théorie universelle n’est pourtant qu’un rêve lointain, l’ère de Planck étant physiquement inaccessible à nos observations et les énergies en jeu bien plus élevées que ce que le LHC est aujourd’hui capable de produire.

theorie grande unification

Graphe représentant l’intensité des interactions fondamentales en fonction de leur énergie. Les trois interactions sont unifiées aux environs des 1020 GeV. Crédits : The Particle Adventure

Toutefois, les théoriciens n’abandonnent pas ce Saint Graal. Les tentatives d’unification ont fleuri au cours des dernières décennies. Le meilleur exemple, qui est également un succès, est la théorie électrofaible, unifiant électromagnétisme et interaction nucléaire faible. Plusieurs tentatives de grande unification, c’est-à-dire l’unification des trois interactions du Modèle Standard, sont actuellement en cours de développement. Une telle théorie est appelée « théorie de grande unification » et pourrait être confirmée (ou non) dans le futur au sein du LHC.

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