Stephen Hawking est à juste titre considéré comme l'un des scientifiques les plus influents de notre époque. En son temps sur cette planète, le célèbre physicien, communicateur scientifique, auteur et luminaire est devenu un nom familier, synonyme d'Einstein, Newton et Galileo. Ce qui est encore plus impressionnant, c'est qu'il a réussi à maintenir son engagement en faveur de la science, de l'éducation et des efforts humanitaires, malgré une maladie dégénérative lente.
Même si Hawking est récemment décédé, son influence se fait encore sentir. Peu de temps avant sa mort, Hawking a soumis un article offrant sa dernière théorie sur les origines de l'Univers. Le document, qui a été publié plus tôt cette semaine (mercredi 2 mai), offre une nouvelle vision de la théorie du Big Bang qui pourrait révolutionner notre façon de penser l'Univers, comment il a été créé et comment il a évolué.
Le document, intitulé «Une sortie en douceur de l'inflation éternelle?», A été publié dans le Journal of High Energy Physics.La théorie a été annoncée pour la première fois lors d'une conférence à l'Université de Cambridge en juillet de l'année dernière, où le professeur Thomas Hertog (physicien belge à la KU Leuven) a partagé le document de Hawking (dont Hertog a co-écrit) à l'occasion de son 75e anniversaire.
Selon le consensus scientifique actuel, toute la matière actuelle et passée dans l'Univers a vu le jour en même temps - il y a environ 13,8 milliards d'années. À cette époque, toute la matière était compactée en une très petite boule avec une densité infinie et une chaleur intense. Soudain, cette balle a commencé à se gonfler à un rythme exponentiel, et l'Univers tel que nous le connaissons a commencé.
Cependant, il est largement admis que depuis le début de cette inflation, les effets quantiques la maintiendront indéfiniment dans certaines régions de l'Univers. Cela signifie que globalement, l'inflation de l'Univers est éternelle. À cet égard, la partie observable de notre univers (mesurant 13,8 milliards d'années-lumière dans toutes les directions) n'est qu'une région dans laquelle l'inflation a cessé et des étoiles et des galaxies se sont formées.
Comme Hawking l'a expliqué dans une interview à l'Université de Cambridge l'automne dernier:
«La théorie habituelle de l'inflation éternelle prédit que globalement notre univers est comme une fractale infinie, avec une mosaïque de différents univers de poche, séparés par un océan gonflant. Les lois locales de la physique et de la chimie peuvent différer d'un univers de poche à l'autre, qui formeraient ensemble un multivers. Mais je n'ai jamais été fan du multivers. Si l'échelle des différents univers dans le multivers est grande ou infinie, la théorie ne peut pas être testée. "
Dans leur nouvel article, Hawking et Hertog proposent une nouvelle théorie qui prédit que l'Univers n'est pas un multivers infini de type fractal, mais qu'il est fini et raisonnablement lisse. En bref, ils théorisent que l'inflation éternelle, dans le cadre de la théorie du Big Bang, est erronée. Comme l'a expliqué Hertog:
«Le problème avec le récit habituel de l'inflation éternelle est qu'il suppose un univers de fond existant qui évolue selon la théorie d'Einstein de la relativité générale et traite les effets quantiques comme de petites fluctuations autour de cela. Cependant, la dynamique de l'inflation éternelle efface la séparation entre la physique classique et la physique quantique. En conséquence, la théorie d'Einstein s'effondre dans l'inflation éternelle. "
Contrairement à cela, Hawking et Hertog offrent une explication basée sur la théorie des cordes, une branche de la physique théorique qui tente d'unifier la relativité générale avec la physique quantique. Cette théorie a été proposée pour expliquer comment la gravité interagit avec les trois autres forces fondamentales de l'Univers (forces nucléaires faibles et fortes et électromagnétisme), produisant ainsi une Théorie de Tout (ToE).
Pour le dire simplement, cette théorie décrit les constituants fondamentaux de l'Univers comme de minuscules cordes vibrantes unidimensionnelles. L'approche de Hawking et Hertog utilise le concept d'holographie de la théorie des cordes, qui postule que l'Univers est un hologramme grand et complexe. Dans cette théorie, la réalité physique dans certains espaces 3D peut être mathématiquement réduite à des projections 2D sur une surface.
Ensemble, Hawking et Hertog ont développé une variante de ce concept pour projeter la dimension du temps dans l'inflation éternelle. Cela leur a permis de décrire l'inflation éternelle sans avoir à s'appuyer sur la relativité générale, réduisant ainsi l'inflation à un état intemporel défini sur une surface spatiale au début du temps. À cet égard, la nouvelle théorie représente un changement par rapport aux travaux antérieurs de Hawking sur la «théorie sans frontière».
Également connue sous le nom de proposition Hartle et Hawking No Bounary, cette théorie considérait l'Univers comme une particule quantique - lui attribuant une fonction d'onde qui décrivait tous les Univers possibles. Cette théorie a également prédit que si vous remontez dans le temps jusqu'au début de l'Univers, il rétrécirait et se fermerait comme une sphère. Enfin, il a prédit que l'Univers finirait par s'arrêter et s'effondrer sur lui-même.
Comme l'explique Hertog, cette nouvelle théorie s'écarte de ses travaux antérieurs:
«Lorsque nous suivons l'évolution de notre univers dans le temps, nous arrivons à un moment donné au seuil de l'inflation éternelle, où notre notion familière du temps cesse d'avoir un sens. Maintenant, nous disons qu'il y a une frontière dans notre passé. "
En utilisant cette théorie, Hawking et Hertog ont pu dériver des prédictions plus fiables sur la structure globale de l'Univers. De plus, un univers qui devrait émerger d'une inflation éternelle à la frontière passée est également fini et beaucoup plus simple. Enfin, mais non des moindres, la théorie est plus prédictive et testable que le Multivers infini prédit par l'ancienne théorie de l'inflation éternelle.
«Nous ne sommes pas dans un univers unique et unique, mais nos résultats impliquent une réduction significative du multivers, à une gamme beaucoup plus petite d'univers possibles», a déclaré Hawking. En théorie, un Univers fini et lisse est celui que nous pouvons observer (au moins localement) et sera régi par des lois physiques que nous connaissons déjà. Comparé à un nombre infini d'Univers régis par différentes lois physiques, cela simplifie certainement les mathématiques!
Pour l'avenir, Hertog prévoit d'étudier les implications de cette théorie à de plus petites échelles en utilisant des données obtenues par des télescopes spatiaux sur l'Univers local. De plus, il espère profiter des études récentes concernant les ondes gravitationnelles (GW) et les nombreux événements qui ont été détectés. Essentiellement, Hertog estime que les GW primordiaux générés à la sortie de l'inflation éternelle sont les moyens les plus prometteurs pour tester le modèle.
En raison de l'expansion de notre univers depuis le Big Bang, ces GW auraient de très longues longueurs d'onde, celles qui sont en dehors de la plage normale du LIGO (Laser Interferometry Gravitational-Wave Observatory) ou des détecteurs de la Vierge. Cependant, l'antenne spatiale d'interférométrie laser (LISA) - un plan dirigé par l'ESA pour un observatoire spatial des ondes gravitationnelles - et d'autres expériences futures pourraient être capables de les mesurer.
Même s'il est plus longtemps avec nous, la théorie finale de Hawking pourrait être sa profonde contribution à la science. Si les recherches futures devaient le prouver, Hawking aurait résolu l'un des problèmes les plus redoutables de l'astrophysique et de la cosmologie modernes. Encore un exploit d'un homme qui a passé sa vie à changer la façon dont les gens pensent de l'Univers!
