La carte la plus précise du rayonnement du fond diffus cosmologique tracée par le satellite Planck de l'ESA. © ESA, Collaboration Planck

Sciences

Hawking et le multivers : du buzz à la fake news ?

ActualitéClassé sous :cosmologie , Hawking , multivers

Il se produit actuellement, et d'abord dans les médias anglo-saxons, un véritable buzz autour du dernier article scientifique de Stephen Hawking, présenté comme révolutionnaire et fournissant un moyen de tester l'existence d'univers parallèles. La communauté scientifique doit s'étrangler et estimer se retrouver parfois quasiment devant une fake news. Bien que brillant et fort intéressant, l'article en question est en effet à des années-lumière de ces affirmations.

Interview : les théories sur les multivers sont-elles scientifiques ?  Le concept du multivers, après avoir alimenté la science-fiction et le cinéma, infiltre le milieu de la physique théorique. Et s'il existait d’autres univers que le nôtre, différents ou identiques ? Et si c'était le cas, comment le prouver scientifiquement ? Futura-Sciences a interviewé Aurélien Barrau, astrophysicien spécialisé en cosmologie et auteur du livre Des univers multiples, afin qu’il lève le voile sur la question. 

Tout est parti il y a quelques jours d'un article du Sunday Times, suffisamment flou et mal rédigé pour permettre des dérapages dans les interprétations. C'est bien ce qui s'est produit, avec des déformations de plus en plus poussées au fur et à mesure de la reprise de l'information d'article en article, avec une totale absence de sens critique et une assurance infondée dans la compréhension du texte. L'effet Dunning-Kruger a encore frappé.

L'image est bien sûr très romanesque. Stephen Hawking au seuil de la mort, ou peu s'en faut, aurait été tout près de percer le secret du Big Bang en déterminant ce qu'il y avait avant et surtout en complétant une théorie dans un article que la communauté scientifique considérerait déjà comme révolutionnaire, au point de valoir potentiellement un prix Nobel. L'article fournirait en particulier un moyen de tester et de prouver, via le rayonnement fossile, l'existence d'univers parallèles, un sujet qu'explorerait Hawking depuis quelque temps. En bonus, Hawking aurait prédit la fin de notre propre Univers...

Il faut le dire haut et fort tout de suite, tout est complètement faux dans ces affirmations qui concernent l'article intitulé A Smooth Exit from Eternal Inflation?, déposé déjà en juillet 2017 sur arXiv. Stephen Hawking l'a coécrit avec un de ses brillants collaborateurs de longue date, le physicien  belge Thomas Hertog, actuellement en poste à l'université de Louvain, celle-là même où enseignait l'un des pères fondateurs de la théorie du Big Bang, Georges Lemaître.

Mais commençons par le commencement.

La bande annonce d'un documentaire exposant les idées de Stephen Hawking développées conjointement avec James Hartle et Thomas Hertog, qui intervient dans ce documentaire (voir au bas de cet article). Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © skydivephil

Le Big Bang quantique selon Hawking et Hartle

C'est en 1983, donc il y a 35 ans, que Stephen Hawking a proposé sa fameuse théorie du Big bang en introduisant le concept de temps imaginaire en gravitation quantique avec James Hartle. Bien que soulignant toujours le caractère spéculatif de sa théorie, Hawking ne manquait jamais une occasion d'en parler lors d'une intervention publique, tant il croyait fermement à son idée.

La géométrie de l'espace-temps à l'intérieur d'une étoile qui s'effondre gravitationnellement est très similaire à celle d'un univers simple en expansion à condition de renverser le sens du temps dans les équations. De sorte que la formation d'un trou noir est l'analogue de la naissance de l'Univers. Les phénomènes associés à la physique des trous noirs sont donc des laboratoires naturels pour comprendre ceux de la physique du Big Bang (entropie, ondes gravitationnelles, création de matière et d'antimatière, etc.).

En poussant un cran plus loin avec ses collègues l'étude du rayonnement des trous noirs, qu'il a découvert en 1974, Hawking a montré que la célèbre intégrale de chemin de Feynman, qui est une reformulation des lois de la mécanique quantique, donne des résultats spectaculaires à leur propos. Il était donc logique qu'il l'utilise pour tenter de résoudre les énigmes laissées par sa démonstration, en compagnie de Roger Penrose, de l'occurrence d'une singularité de l'espace-temps (sa courbure devient infinie, la densité également et il cesse même d'être défini) au niveau du Big Bang dans le cadre de la relativité générale. À son début supposé, en effet, le cosmos est plus petit qu'un atome et doit être gouverné par les lois de la physique quantique, dont le mariage avec celles de la relativité générale reste toujours problématique.

Or, une singularité est une catastrophe pour un théoricien du Big Bang. Elle signifie que l'on ne peut pas comprendre comment ni pourquoi le cosmos observable a les propriétés qu'on lui connaît, étant donné qu'il existe plusieurs solutions possibles des équations d'Einstein en cosmologie. Le choix des conditions de démarrage du Big Bang, qui détermine celui de la trajectoire de l'évolution de l'Univers via un solution précise des équations d'Einstein, ne semble pas pouvoir être fixé par la théorie et surtout pas si l'espace-temps débute par une singularité.

Hawking trouva pourtant une échappatoire élégante, sélectionnant automatiquement une solution ou presque, en introduisant le temps imaginaire dans les calculs utilisant l'intégrale de chemin de Feynman en compagnie de James Hartle. Le procédé supprime la singularité en faisant émerger l'espace-temps classique d'un monde quantique où la distinction entre temps et espace disparaît ainsi que, finalement, la notion d'espace-temps lui-même.

Il va développer au cours des années 1980 et au début des années 1990 son modèle d'univers sans frontière ou sans bord (No boundary, en anglais) ainsi nommé parce que l'espace-temps quantique au début du Big Bang ressemble plus à la géométrie d'une sphère, sur laquelle aucune origine particulière ne peut être trouvée ni aucune limitation aux mouvements. Ce n'est pas le cas à la surface d'un cône dont la pointe décrit précisément une singularité de la géométrie et une frontière assimilable à l'analogue d'une origine du temps d'un univers en expansion, représenté par les cercles de rayons grandissant autour du cône, perpendiculairement à son axe.

Hawking va ainsi chercher à tirer des prédictions de son modèle, qui a été appelé le modèle de Hartle-Hawking, pour le valider par des observations, en particulier à l'aide des caractéristiques du rayonnement fossile. Elles correspondent en effet aux fluctuations de densité d'où sont nées les galaxies et en particulier aux modes B des ondes gravitationnelles primordiales du Big Bang dont l'observation serait une preuve convaincante de la théorie de l'inflation développée activement pendant les années 1980.

Les prédictions obtenues ont été d'abord en accord avec les données des satellites Cobe, WMap puis Planck mais sans que l'on puisse considérer que cela prouve quoi que ce soit. Tout va se compliquer à partir des années 2000. La seconde révolution de la théorie des cordes survenue au milieu des années 1990 marquait alors des points sur la question du paradoxe de l'information découvert par Hawking avec l'évaporation des trous noirs. Par ailleurs, la théorie de l'inflation rencontre alors aussi un grand succès, permettant de prédire plusieurs caractéristiques du rayonnement fossile qui furent observées par WMap, ainsi que la valeur de la densité de l'univers, valeur validée par la découverte de l'énergie noire vers 1998.

L'inflation éternelle et l'Univers sans frontière 

Il devient naturel et plus facile de combiner la théorie des cordes et la théorie de l'inflation. Les théoriciens aboutirent alors à la notion de Paysage Cosmique peuplé par l'inflation éternelle, deux idées déjà en gestation depuis les années 1980 et qui accréditent fortement l'idée de l'existence d'un multivers. Mais elle rend encore plus problématique la compréhension du Big Bang, sans parler de la possibilité de tester cette existence.

La théorie de l'inflation suppose qu'au tout début de l'existence de notre univers observable, peu après le temps de Planck, l'espace aurait subi une phase très brève d'expansion accélérée. Elle l'aurait fantastiquement dilaté mais alors que cette phase s'est arrêtée pour une portion de l'espace, celle que nous habitons, elle aurait continué ailleurs tout en laissant derrière elle d'autres régions similaires à notre cosmos, mais avec des lois de la physique différentes pour les champs quantiques relativistes décrivant la matière et les forces. L'univers serait alors une collection d'univers-bulles interconnectés et émergeant les uns des autres à la suite d'autres phases inflationnaires, un peu comme le montre le schéma ci-dessus. Si l'un de ces univers finit par mourir, par exemple en se recontractant sur lui-même, il s'en produit toujours d'autres avec des lois différentes (ce que représentent les couleurs sur le schéma). C'est la théorie de l'inflation éternelle. © Andreï Linde

Les équations de la théorie des cordes possédant un nombre phénoménal de solutions, il est très difficile de déterminer laquelle correspond à notre Univers et pourquoi celle-ci a été réalisée plutôt qu'une autre. Devant l'absence d'une explication, certains ont fini par soupçonner, tel Leonard Susskind, qu'une grande partie de ces solutions ont été réalisées grâce à la théorie de l'inflation (voir la légende de l'illustration ci-dessus), bien que la question fasse débat.

L'hypothèse est fascinante, mais dérangeante, parce qu'elle semble rendre obsolète l'idée qu'il existe autre chose que le hasard, et des accidents historiques comparables à ceux donnant les caractéristiques des planètes dans le Système solaire, pour expliquer les caractéristiques de notre Univers. Elle semble aussi limiter le caractère prédictif de la science et enfin, laisse mal à l'aise avec l'idée que, les autres régions du multivers prédites par la théorie étant inobservables, on est plus dans de la spéculation « méta-physique », dans un sens un peu différent du sens usuel, que dans le domaine de la science.

Stephen Hawking ne devait pas être très satisfait de cette situation. Ce qui est sûr, c'est qu'au cours des années 2000, il va étudier de plus près, avec Thomas Hertog, la théorie de l'inflation éternelle dans le cadre de son modèle sans frontière. Il se penchera aussi sur la question du multivers prédit par la théorie des cordes avec lui, toujours dans ce cadre, à partir de 2006. Est-il possible en effet de restaurer un certain cadre prédictif et même d'obtenir des prédictions testables ?

Le documentaire sur la proposition d'Univers sans frontière de Stephen Hawking ainsi que les derniers développements à son sujet et qui sont contenus dans le dernier article écrit avec Thomas Hertog. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © skydivephil

Le Big Bang quantique de Hawking et Hertog et l'holographie

Par la suite, Hawking reviendra à plusieurs reprises sur ces questions avec Hertog et Hartle. Cela fait donc plus de dix ans qu'il explore la question du multivers et l'article qui fait le buzz actuellement sur ce sujet s'inscrit dans ce cadre. Il apporte des éléments nouveaux très intéressants mais rien n'indique actuellement qu'il impressionne plus la communauté scientifique que ceux qu'il a publiés sur le même sujet. On ne trouve aucune trace dans cet article d'une proposition de test de la théorie du multivers de l'inflation éternelle de la théorie des cordes, et encore moins d'un test décisif en mesure de prouver son existence.

Il est sans aucun doute possible que les travaux de Hawking et Hertog puissent conduire un jour à ce test, en particulier au niveau des caractéristiques du rayonnement fossile, comme le mentionne l'article. Mais cet article ne contient pas la moindre ébauche d'un tel test, contrairement à ce que l'on peut trouver dans un article de 2010-2011 et qui n'a produit aucune révolution même après le succès de la mission Planck.

Résumons. Contrairement à ce qui est affirmé à gauche et à droite, il n'y a aucune indication que le dernier article de Hawking soit plus spectaculaire que ceux qu'il a publiés depuis environ dix ans sur le même sujet, à savoir le multivers de l'inflation éternelle, et qui n'ont pas mobilisé l'attention de la communauté scientifique comme ce fut le cas sur les trous noirs ou en cosmologie quantique. Il ne fournit aucun test observationnel susceptible de démontrer l'existence du multivers. On ne voit donc pas comment cela pourrait déboucher sur un prix Nobel.

Pire. On cherchera en vain une quelconque mention de la fin de l'Univers, ou du multivers, et c'est d'autant plus vrai que la théorie de l'inflation éternelle, que l'on qualifie parfois d'Univers autoreproducteur, indique au contraire que le multivers ne peut pas mourir (il est donc infini dans le temps en direction du futur) une fois qu'il a émergé d'une réalité au-delà du temps et de l'espace.

Mais de quoi parle donc le dernier article de Hawking et Hertog, demandera-t-on ? Et pourquoi peut-on dire qu'il est tout de même très intéressant et brillant ?

Les explications techniques de Thomas Hertog à l'occasion du 75e anniversaire de Stephen Hawking. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © skydivephil

Pour aller directement à sa conclusion essentielle, disons qu'il avance que le multivers de l'inflation éternelle serait en fait beaucoup plus régulier et nettement moins diversifié qu'on pouvait le penser. Sa géométrie spatiale globale serait finie plutôt qu'infinie, et plutôt lisse et pas du tout aussi complexe et irrégulière que celle d'une fractale comme le pensent certains depuis déjà la fin des années 1980.

Hawking et Hertog arrivent à cette conclusion en suivant une approche similaire à celle qu'ils ont déjà explorée ensemble pendant l'année 2000, à savoir l'utilisation de la fameuse correspondance AdS/CFT de Maldacena qui a été découverte en étudiant les trous noirs dans le cadre de la théorie des cordes à la fin des années 1990. C'est un exemple de ce que l'on peut appeler de la cosmologie holographique.

Le modèle de Hartle-Hawking dérive en fait de calculs approchés en gravitation quantique, utilisée par les deux chercheurs. Pire, on peut questionner ses fondements mathématiques et pas seulement sa pertinence physique. Ce qui est sûr, c'est que les approximations utilisées ne semblent pas fondées dans le cas de l'inflation éternelle.

Pour contourner le problème Hawking et Hertog ont trouvé le moyen de connecter la géométrie de l'espace-temps de De Sitter utilisée pour des calculs dans le cadre de la théorie de l'inflation avec la géométrie de l'espace-temps, dit Anti-De Sitter de la correspondance AdS/CFT qui permet de faire, en théorie du moins, des calculs de gravitation quantique difficiles à mener autrement. On peut alors appliquer l'idée du temps imaginaire et sa conséquence avec le modèle sans frontière sur des bases plus solides à l'occurrence du phénomène d'inflation éternelle.

Mais il reste encore beaucoup de travail à faire pour développer l'idée, en supposant qu'elle soit juste...

  • Des médias font écho d'un article scientifique exposant les dernières idées de Stephen Hawking, peu avant son décès, sur la possibilité de prouver l'existence d'un « multivers » et sur le destin de notre Univers, en les présentant de plus comme révolutionnaires.
  • En fait, l'article en question, coécrit avec Thomas Hertog, ne fait que compléter les travaux menés par le physicien britannique depuis dix ans au moins.
  • Les thèses avancées dans cet article sont intéressantes mais nullement révolutionnaires et les auteurs ne donnent pas de méthode pour détecter un multivers ni ne prédisent une fin à notre Univers (ce qui serait d'ailleurs  contradictoire avec leur modèle appliqué au multivers envisagé).