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Le volant cosmique

Physique einsténienne et physique quantique seraient- elles conciliables ?

Un article que vient de publier l'excellent site Quanta Magazine relate la surprise qu'avait provoqué en 1981 chez les physiciens le célèbre et depuis décédé cosmologiste Stephen Hawking en présentant sa dernière hypothèse, selon laquelle l'univers avait surgi de nulle part. Il s'opposait ainsi à la théorie déjà très répandue du Big Bang.

Celle-ci admet que le Big Bang s'était produit à partir d'une énergie quasi infinie préexistante. Mais d'où provenait cette énergie initiale ? Pour les théoriciens du Big Bang, elle était déjà présente. Pour Hawkins au contraire, il n'y avait pas d'énergie initiale, ni rien d'équivalent susceptible de précéder l'apparition de l'univers. L'univers n'aurait pas davantage de fin.

L'affirmation d'Hawking fut faite devant une réunion de l'Académie Pontificale des Sciences. Celle-ci, bien que se tenant au Vatican, est ouverte à tous les scientifiques, qu'ils soient croyants ou non. Beaucoup sont des athées convaincus. Mais pour eux alors, comme pour beaucoup d'entre eux encore aujourd'hui, il faut bien que l'univers ait eu un début, s'étant produit à partir non d'une intervention divine, mais d'une force ou de toute autre cause naturelle déjà existante.

L'hypothèse de Hawking a été reformulée par lui, conjointement avec son collaborateur James Hartle, dans un article de 1981. Dans cet article, ils assimilent l'univers à un volant (shuttlecock). Dans un volant, par exemple un volant de voiture, le diamètre au point central est de zéro. Il s'accroît progressivement à mesure que l'on remonte le long des branches du volant. Ils ont exprimé mathématiquement leur hypothèse, renommée par eux le no-boundary proposal ou principe d'absence de frontière, dans ce qui a été nommé la « fonction d'onde de l'univers » comprenant en même temps le passé, le présent et le futur. Ainsi l'univers n'a pas besoin de créateur, qu'il soit naturel ou divin.

Le no-boundary proposal, dit aussi Hartle-Hawking proposal, a inspiré les physiciens depuis 40 ans. Indiquons qu'il a introduit dans la cosmologie einstenienne dite macroscopique un postulat proche de celui de la physique quantique. Pour celle-ci, tout au moins au niveau des très petites particules de matière, dites particules quantiques, il n'y a ni espace ni temps. Aujourd'hui, c'est la physique quantique, dont les applications sont très nombreuses, qui fournit la meilleur description de l'état de l'univers. Mais la physique einsténienne, dont les applications sont également très nombreuses, n'est pas éliminée pour autant.

Il y a deux ans, dans un article dans les  Physical Review Letters référencé https://arxiv.org/abs/1705.00192  publié par les physiciens Turok , Feldbrugge et Lehners, ceux-ci ont remis en cause le Hartle-Hawking proposal. Ils avaient essayé de la reformuler en utilisant de nouveaux outils mathématiques. Ils ont constaté à son sujet, selon eux, que « c'était un désastre ».

Une longue discussion s'en est suivie entre physiciens, beaucoup s'en tenant au no-boundary proposal . Cependant Turok et Lehners n'ont pas changé d'opinion. Ils ont proposé des hypothèses de cosmologie quantique permettant de conserver le principe tout en remédiant à ses défauts. Le principal défaut du principe est que la fonction d'onde de l'univers est incalculable mathématiquement, compte tenu des possibilités des mathématiques actuelles . De plus, cette fonction ne peut pas tenir compte du temps, puisqu'il n'existe pas d'horloge extérieure permettant de le mesurer.

Aujourd'hui Turok et ses collègues du Perimeter Institute Latham Boyle Kieran Finn proposent un nouveau modèle cosmologique proche de la no-boundary proposal . Mais au lieu d'un volant, ils en imaginent deux, opposés si l'on peut dire par le sommet, avec un espace-temps s'écoulant dans deux directions opposées. Ce modèle est jugé pertinent parce qu'il concrétise la symétrie dite CPT . Celle-ci est actuellement très étudiée, parce qu'elle reflète la matière et l'anti-matière, le temps s'écoulant en avant et en arrière. Mais elle a l'inconvénient d'introduire une « singularité », c-est-à-dire un moment ou n'existerait aucun univers, et à partir duquel l'univers se serait développé.

Malheureusement, cette singularité ne peut être définie à ce jour, faute d'une théorie de la gravité quantique adéquate. Il reste que la  fonction d'onde de l'univers est généralement considérée comme une approche adéquate. Restera à préciser ce qu'elle signifierait, tant en termes mathématiques qu'en termes cosmologiques.

Nous pensons pour notre part que la nature du cosmos profond ne pourra jamais être comprise par les cerveaux des humains actuels, cerveaux qui ne se sont pas construits dans la confrontation avec de tels problèmes.

Référence

Article https://arxiv.org/abs/1705.00192

No smooth beginning for spacetime
Job FeldbruggeJean-Luc LehnersNeil Turok

We identify a fundamental obstruction to any theory of the beginning of the universe, formulated as a semiclassical path integral. Hartle and Hawking's no boundary proposal and Vilenkin's tunneling proposal are examples of such theories. Each may be formulated as the quantum amplitude for obtaining a final 3-geometry by integrating over 4-geometries. We introduce a new mathematical tool - Picard-Lefschetz theory - for defining the semiclassical path integral for gravity. The Lorentzian path integral for quantum cosmology with a positive cosmological constant is meaningful in this approach, but the Euclidean version is not. Framed in this way, the resulting framework and predictions are unique. Unfortunately, the outcome is that primordial tensor (gravitational wave) fluctuations are unsuppressed. We prove a general theorem to this effect, in a wide class of theories.

 

 

09/06/2019
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