La publication du mois de l’Archive Talk.Origins : mai 2001

C’est vrai. Dans la proposition de tunneling de Vilenkin — la « création quantique d’universs hors de ‘rien’ » — le « rien » ne renvoie pas à un vide spatial vide, mais plutôt à un état quantique de l’univers dans lequel « espace » et « temps » n’ont pas de signification bien définie (n’étant que des concepts classiques approximatifs).

Si cela vous intéresse, voici quelques résumés brefs de mes connaissances (limitées et partiales) et de mes opinions sur les principales propositions concernant les origines de l’univers, dans aucun ordre particulier. Je devrais préciser dès le départ que presque toutes sont, au mieux, des approximations semi-classiques de la gravité quantique complète ; certaines d’entre elles (comme l’inflation éternelle) sont issues de la gravité classique. Je devrais aussi préciser que je vais probablement déformer la plupart de cela (notamment la cosmologie quantique). :) (Si des experts comme Steve Carlip lisent encore ce groupe, qu’ils interviennent.)

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[1] COSMOLOGIE QUANTIQUE

Dans cette approche, les chercheurs essaient d’éviter la nécessité de construire une théorie de la gravité quantique en ayant recours à des approximations. Dans l’une d’elles, au lieu de quantifier la gravité et de rechercher des solutions de ces équations, ils prennent quelques solutions classiques très symétriques — comme les solutions FLRW homogènes utilisées par les cosmologistes — et quantifient celles-ci, puisqu’elles n’ont qu’un nombre fini de degrés de liberté à quantifier (parfois un seul, comme le rayon de l’univers). C’est l’« approximation mini-superspace ». On fait ensuite d’autres approximations de type point selle semblables à l’approximation WKB traditionnelle en mécanique quantique. Voir :

http://math.ucr.edu/home/baez/week6.html

Ces hypothèses sont dangereuses. D’un côté, vous faites l’hypothèse très discutable que vous pouvez ignorer les détails de la quantification de la gravité. De l’autre côté, si c’est une approximation valide, elle pourrait nous permettre de déduire des conclusions robustes sur l’univers primordial qui devraient être vraies indépendamment des détails de la théorie de gravité quantique qui finira par être élucidée.

Je ne sais pas grand-chose de l’état actuel de la cosmologie quantique, mais j’ai trouvé cette revue de Barvinsky (qui se concentre davantage sur les problèmes techniques et conceptuels plutôt que sur les prédictions) :

http://arXiv.org/abs/gr-qc/0101046

Une introduction plus conceptuelle de Wiltshire est :

http://arXiv.org/abs/gr-qc/0101003

L’un des principaux problèmes de la science n’est pas seulement de déterminer quelles sont les lois de la physique, mais aussi quelles étaient les conditions initiales de l’univers. Dans un scénario de Big Bang, l’espace-temps a une frontière — la singularité — et comme il n’existe rien avant elle, nous devons ajouter des données initiales sur la frontière. En utilisant les lois de la physique, nous pouvons prédire l’évolution de l’univers, mais si nous ne savons pas comment il a commencé, nous pouvons faire évoluer la solution en avant dans le temps. Y avait-il de nombreuses conditions initiales qui auraient pu mener à ce que nous voyons aujourd’hui ?

La plupart des approches majeures de la cosmologie quantique répondent de façon surprenante que ces questions ne sont pas indépendantes : les lois de la physique _dictent_ les conditions initiales. Si c’est vrai, nous n’avons pas à nous préoccuper de « pourquoi l’univers a commencé comme cela » comme d’un problème séparé de « pourquoi les lois de la physique sont ce qu’elles sont ».

La cosmologie quantique implique beaucoup de travail, mais deux de ses propositions les plus connues dans le cadre de l’approximation mini-superspace sont la proposition sans frontière de Hartle-Hawking et la proposition de tunneling de Vilenkin. Ce sont deux tentatives très différentes de résoudre les approximations du « fonction d’onde de l’univers » et de comprendre les origines de l’univers. Je les examinerai séparément.

Récemment j’ai rencontré quelques travaux qui m’enthousiasment ; Bojowald a repris cette approximation et l’a appliquée à l’un des candidats actuels de premier plan pour une théorie quantique de la gravité, la gravité quantique à boucles. La gravité quantique à boucles est plus récente et moins établie que les approches path-intégrales traditionnelles utilisées en cosmologie quantique standard, mais c’est actuellement, à mon humble avis, l’approche la plus prometteuse de la relativité générale quantique complète. (La théorie des cordes est l’autre principal candidat pour la gravité quantique, mais elle modifie la relativité générale dans sa limite classique.) Fondamentalement, je pense qu’elle est plus concrète et moins spéculative qu’un grand nombre de calculs plus anciens en cosmologie quantique (bien que la théorie sur laquelle elle repose puisse encore être défectueuse ; le jury n’a pas encore tranché).

http://arXiv.org/abs/gr-qc/0102069 http://arXiv.org/abs/gr-qc/0104072 http://math.ucr.edu/home/baez/week167.html

Le premier article prévoit qu’il n’y avait pas de singularité du Big Bang et qu’avant le Big Bang il y avait un Big Crunch d’un univers précédent. Le deuxième article prévoit que la solution finit aussi par éliminer les conditions initiales (bien qu’il le fasse d’une manière assez différente des propositions sans frontière ou tunneling). Le deuxième article tente également de justifier pourquoi ce calcul devrait être plus fiable que les propositions NBP et tunneling. Il conclut :

« Contrairement à toutes les autres propositions de conditions aux limites en cosmologie quantique, nos _conditions initiales dynamiques_ ne sont pas choisies pour satisfaire une intuition a priori concernant la `création` d’un univers mais sont dérivées de l’équation d’évolution qui, à son tour, est dérivée de la géométrie quantique, candidate à une théorie complète de la gravité quantique. En conséquence, une seule équation fournit à la fois la loi dynamique et les conditions initiales... Ainsi, contrairement à la situation classique où une singularité conduit à une imprévisibilité, en géométrie quantique la région de la singularité classique fixe les ambiguïtés de la fonction d’onde d’un univers. »

Mais tout cela est encore très récent et provisoire, et les gens ne savent toujours pas vraiment si l’approximation ou la théorie est valide.

[2] LA PROPOSITION SANS FRONTIÈRE

La proposition sans frontière de Hartle-Hawking (http://prola.aps.org/abstract/PRD/v28/i12/p2960_1) tente d’éviter ce problème global en supprimant la frontière. En passant du temps réel au temps imaginaire et donc de l’espace-temps de Lorentz à celui euclidien — plus précisément, en travaillant dans une approximation supposée dominée par des espaces-temps euclidiens — ils trouvent qu’ils peuvent écrire une fonction d’onde qui n’a pas de frontière dans l’espace-temps euclidien. La singularité n’existe pas dans la solution en temps imaginaire, seulement dans le temps réel. (En tout cas, je pense qu’elle existe toujours en temps réel. Il est probablement plus exact de dire que, tout comme la proposition de Vilenkin, l’espace-temps classique n’a pas de sens au Big Bang, donc il n’y a pas de « singularité » au sens d’une géométrie de l’espace-temps singulière en relativité générale.)

Le point est que nous n’avons plus besoin de spécifier des données initiales ; la solution euclidienne peut être déterminée sans elles, puis les « données initiales » en temps réel sont déterminées à partir de cela — les données initiales en temps réel ne sont pas une chose distincte à fournir manuellement, elles font partie de la solution. (Tout genre de choses étranges se produisent aussi en temps imaginaire ; en un sens, le Big Bang et le Big Crunch sont la même chose.)

Faire appel au temps imaginaire paraît assurément étrange, mais il existe des précédents — les physiciens le font tout le temps en théorie des champs quantiques ; il semble nécessaire de le faire pour que les calculs aboutissent. (Sinon les intégrales ne sont pas bien définies.) D’un autre côté, il est mathématiquement légitime de procéder ainsi ; le théorème de reconstruction d’Osterwalder-Schrader dit qu’il est possible d’effectuer tous vos calculs en temps imaginaire, de les faire là, puis de ramener les résultats au temps réel d’une façon unique. Mais la théorie des champs quantiques repose sur des espaces-temps de fond plat — ce qui n’est pas le cas en gravité.

Maintenant, ce théorème peut être étendu aux situations avec des espaces-temps courbes et dynamiques (comme en relativité générale) — voir http://arXiv.org/abs/quant-ph/9904094 — mais c’est assez délicat. Hawking a été un des principaux partisans de la gravité quantique euclidienne. Mais cette approche est progressivement tombée en désuétude, à ce que je peux voir. Si ma mémoire est correcte, des preuves numériques suggéraient que la théorie aurait une transition de phase du premier ordre au lieu de la transition du second ordre nécessaire, ou quelque chose comme cela.

De même, certains modèles jouets à deux dimensions suggèrent que la gravité quantique euclidienne et lorentzienne sont fondamentalement différentes (http://arXiv.org/abs/hep-th/9912267). De manière intéressante, la différence tient au fait que la théorie euclidienne permet des « universs enfants » de se ramifier, tandis que la théorie lorentzienne ne le permet pas.) Cela ne signifie pas que la théorie euclidienne est fausse, simplement que nous ne pouvons pas faire comme si le choix entre lorentzien et euclidien ne comptait pas. Il est aussi intéressant de noter que dans ces modèles, la présence de ces « universs enfants » semble provoquer une maladie dans la théorie euclidienne, la rendant dominée par des géométries « polymères ramifiés » dégénérées qui perturbent la limite classique (je pense que c’est essentiellement le problème de transition de phase que j’ai mentionné).

(En fait, il y a eu une quantité non négligeable de travaux sur les « universs enfants », la « troisième quantification » et le « changement de topologie spatiale » qui est probablement pertinent pour cette liste d’alternatives, mais je n’en sais pas grand-chose.)

Quoi qu’il en soit, pour une raison ou une autre, la gravité quantique euclidienne n’est plus prise aussi au sérieux qu’avant, ce qui jette la NBP dans une lumière différente. Mais elle peut encore être bonne dans le contexte semi-classique de la cosmologie quantique. (Par ailleurs, comme je l’ai dit plus haut, le travail lorentzien de Bojowald supprime aussi le besoin de données initiales, bien que non de manière aussi exotique.)

Plus d’informations sur la fonction d’onde de Hartle-Hawking :

http://math.ucr.edu/home/baez/week138.html

[3] LA PROPOSITION DE TUNNELING

La proposition de Vilenkin (http://prola.aps.org/abstract/PRD/v27/i12/p2848_1, http://prola.aps.org/abstract/PRD/v30/i2/p509_1) est ce qui a lancé l’idée globale de « création quantique d’universs hors de rien ». (Eh bien, Tryon et Fomin et d’autres l’ont précédé, mais sans acquérir une popularité durable.) Il fait sortir l’univers par tunneling de l’état nul d’une manière quelque peu analogue au tunneling quantique ordinaire à travers un potentiel. Comme la NBP et la cosmologie quantique à boucles de Bojowald, la solution supprime le besoin de conditions initiales, même si elle ne le fait pas en supprimant la frontière en temps imaginaire. (Je ne comprends pas toutefois comment elle y parvient.) Elle ne comporte pas non plus de singularité du Big Bang ; le « Big Bang » est un événement de tunneling vers l’espace-temps classique.

Je n’en sais pas grand-chose et je ne sais pas non plus quelle est sa situation actuelle, mais vous pouvez lire la comparaison (probablement partiale) que Vilenkin lui-même propose avec les autres propositions (comme la NBP) à :

http://arXiv.org/abs/gr-qc/9812027

(Il mentionne aussi une solution de Linde qui semble être similaire à la NBP de Hartle-Hawking en principe, mais avec une rotation du temps euclidien effectuée dans le sens inverse.)

Pour être équitable, voici un argument de Bousso et Hawking : http://arXiv.org/abs/gr-qc/9608009, et la réponse de Garriga et Vilenkin, http://arXiv.org/abs/gr-qc/9609067. Hawking et Vilenkin se défient mutuellement sur leurs théories (il existe plus d’exemples de cela que ceux que j’ai cités). Je n’ai vraiment aucun élément pour juger qui a raison sur cette question.

Je ne comprends pas très bien comment le modèle de Vilenkin se relie aux problèmes de gravité quantique euclidienne que j’ai mentionnés à propos de la NBP. Vilenkin insiste sur le fait que, contrairement à sa propre proposition, la NBP possède une somme d’intégrales de chemin sur tous les espaces-temps _ÉUCLIDIENS_ (compacts). Vilenkin dit : « ... pour trouver la fonction d’onde semi-classique sous-barrière, il faut procéder analytiquement à la suite d’intégration sur l’espace-temps euclidien ... puis l’intégrale de chemin est dominée par la solution euclidienne des équations classiques du champ ». Faites-en ce que vous voudrez.

[4] INFLATION ÉTERNELLE

C’est une approche plutôt différente pour décrire les origines de notre univers. Je crois que l’idée vient à l’origine de Linde. Dans la théorie inflationnaire, en raison de la « décroissance du vide faux », l’univers peut se dilater rapidement à un taux exponentiel. Cela aide à expliquer certaines énigmes de la cosmologie standard. Cependant, l’une de ses implications est que ce processus de décroissance peut et doit se produire de manière aléatoire, continue et éternelle. Il conduit à une image d’une « mer » d’universs à bulles ou poches de toutes tailles et âges ; nous vivrions à l’intérieur d’une de ces bulles.

Notez que cela diffère de la véritable création d’« universs enfants » en gravité quantique où l’espace se sépare réellement et change de topologie ; au contraire, dans l’inflation éternelle, ce que nous considérons comme « notre univers » est en réalité une « région » en forme de bulle à l’intérieur de l’univers réel plus vaste, avec des caractéristiques physiques différentes de la « mer » environnante.

(D’un autre côté, on a discuté du fait que de vrais universs enfants pourraient se dilater _à l’intérieur_ de notre univers-bulle, dissimulés derrière des horizons d’événements, mais c’est une prédiction beaucoup moins robuste — elle dépend de savoir si la gravité quantique permet la création d’universs enfants — et cela ne semble pas se produire spontanément si c’est possible. Je le mentionne en passant ; la discussion sur l’inflation éternelle est indépendante de cela.)

Cette idée d’inflation éternelle est une bénédiction à double tranchant. Elle peut être capable de fournir une description des origines de notre univers — le « Big Bang » n’était pas vraiment une singularité, mais plutôt l’événement au cours duquel le vide faux a spontanément décroît et a provoqué l’inflation d’une nouvelle bulle dans l’espace-temps. En effet, si l’inflation est correcte, l’inflation éternelle semble être une conséquence presque nécessaire et nous devons donc prendre ce scénario au sérieux.

_Cependant_, elle a aussi un inconvénient : elle ne donne aucune explication pour les origines de l’univers réel contenant toutes ces bulles. On peut soutenir que ce n’est pas un grave inconvénient si le but est de décrire ce que nous observons, car ce qui se passe dans la « mer » plus vaste est assez peu pertinent à ce qui se passe à l’intérieur de notre bulle. Mais beaucoup trouveront cela insatisfaisant parce que cela ne donne pas toute l’histoire. En fait, cela suggère que nous _ ne pouvons pas connaître_ toute l’histoire : l’inflation efface probablement toutes les informations antérieures à la nucléation des bulles, si bien que nous ne pouvons pas disposer de preuve observationnelle de ce qu’était l’univers de la « mer » avant notre événement Big Bang.

Cela constituerait un sérieux revers pour ceux qui s’intéressent à l’univers « mer » plus vaste et à la manière dont il est apparu, mais ce n’est pas une perte totale. La gravité quantique peut être capable de prédire ce qui se produirait dans cette circonstance. Le problème est que nous ne pourrions jamais disposer d’une _preuve observationnelle_ étayant cette prédiction. De prime abord cela semble fatal pour une théorie scientifique, mais comme Guth l’argumente (dans un article que je cite ci-dessous) :

« Les universs poches autres que le nôtre sont considérés comme parfaitement inobservables, donc on peut se demander s’il a un sens scientifique à en parler. Je soutiendrais que c’est une science valable, car nous sommes en train de poursuivre les conséquences d’une théorie pour laquelle nous avons déjà d’autres preuves. Bien sûr, la théorie de l’inflation doit reposer sur les preuves que nous observons, mais une fois convaincus par ces observations, nous devrions également croire aux autres implications, même si elles impliquent des énoncés qui ne peuvent pas être testés directement. »

En bref, si nous pouvons trouver d’autres tests de la gravité quantique qui nous inspirent une grande confiance dans une théorie particulière, nous devrions être enclins à croire ce qu’elle aurait à dire sur ce qui s’est passé dans la « mer », même si nous ne pouvons pas observer ce qui s’y est produit. Cela reste toutefois une mauvaise situation pour la science. Mais la science n’a jamais prétendu que nous pourrions un jour avoir une preuve expérimentale de tout ce qui s’est produit dans notre univers.

Il convient aussi de mentionner que beaucoup ont espéré que l’inflation éternelle éliminerait le besoin d’un commencement de l’univers (ce qui est problématique à expliquer si l’on ne fait pas appel à des choses comme la création spontanée par tunneling). Le tableau est celui d’un univers qui a toujours existé, avec de nouvelles bulles d’univers étant nucléées par effets quantiques de temps à autre, et nous y vivons dans l’une d’elles.

Cependant, Borde et Vilenkin ont montré que l’inflation éternelle pourrait mieux être nommée « inflation éternelle future », puisqu’il semble qu’il existe toujours un besoin d’une singularité initiale — la « mer » avait une vraie singularité du Big Bang, bien que _notre_ Big Bang n’ait pas été une vraie singularité. D’un autre côté, je ne pense pas qu’il s’agisse d’un résultat vraiment solide, car c’est un argument classique. (Je pense que les gens espéraient que les champs d’inflation permettaient d’éviter certains résultats de singularité _classiques_ de la relativité générale — probablement en évitant les conditions énergétiques — mais ce n’est pas le cas.) Nous ne savons pas si la gravité quantique élimine les singularités. Guth semble penser que probablement non, mais à mon avis la question est beaucoup moins tranchée, notamment à la lumière de travaux préliminaires comme ceux de Bojowald.

Toutes ces questions sont résumées dans l’exposé remarquable de Guth,

http://arXiv.org/abs/astro-ph/0101507

La chose importante à noter ici est que l’inflation éternelle aurait pu avoir lieu dans presque tous les scénarios, indépendamment de la théorie correcte de la gravité quantique, ou de la possibilité ou non de singularités du Big Bang, etc. Elle est largement indépendante de toutes les autres propositions que je mentionne (bien qu’il soit possible que certaines d’entre elles puissent exclure ce type d’inflation).

[5] COSMOLOGIE DE LA THÉORIE DES CORDES / M-THEORY

La théorie des cordes (et sa « successeuse », la théorie M) est ce que beaucoup disent être le principal candidat pour une véritable théorie de la gravité quantique. Je ne pense pas que cette théorie ait une vision convenue des origines de notre univers, bien qu’il y ait sans doute des millions de spéculations en circulation. (La théorie des cordes est très flexible — une vertu en ce qu’elle peut expliquer beaucoup de choses, une malédiction en ce qu’elle peut expliquer trop de choses à moins que les données et une meilleure compréhension de la dynamique ne puissent restreindre les possibilités.) Banks présente une discussion (http://arXiv.org/abs/hep-th/9911067) de la cosmologie en théorie M, mais la théorie ne semble pas suffisamment développée pour faire des prédictions sur l’origine de l’univers. (Personne ne sait même exactement ce qu’est la théorie M en ce moment.)

Certaines anciennes prédictions de la théorie des cordes (de Brandenberger et Vafa) sont que l’univers a commencé avec toutes ses dimensions enroulées, puis que trois d’entre elles se sont déployées et ont grandi. Cela n’explique pourtant pas vraiment le Big Bang, seulement ce qui s’est produit ensuite.

Voici une étude de la cosmologie des cordes par Brandenberger :

http://arXiv.org/abs/hep-th/0103156

La proposition la plus concrète (et peut-être la plus populaire, bien que vivement débattue) de cosmologie des cordes que j’ai vue (mais qui n’est loin d’être la position officielle de la communauté des cordes, d’où sa place à part) qui tente d’expliquer le Big Bang est la cosmologie pré-Big Bang. Il existe aussi l’univers ekpyrotique récent, mais il est si nouveau et spéculatif que personne ne sait s’il est plausible ou s’il s’imposera.

Brandenberger mentionne aussi d’autres cosmologies de cordes alternatives, telles que la cosmologie M-heterique (http://arXiv.org/abs/hep-th/0003256), les approches par gaz de branes et les scénarios de brane-world. Je ne dirai rien à ce sujet car je n’ai jamais rien lu à ce propos.

[6] COSMOLOGIE PRÉ-BIG BANG

Ce scénario, dû à Veneziano et Gasperini, suppose que l’univers était à l’origine froid, simple et vide et plat, et a naturellement évolué vers un état fortement courbé aboutissant à un « Big Bang » sans singularité, d’où notre univers actuel. (Cela est différent de la création quantique d’universs, où les universs proviennent de « rien » ou de l’état nul ; plutôt, un état de vide initial plat commence à « se courber » et à produire de la matière par des effets quantiques et crée un Big Bang.)

Je pense que ce scénario comporte un univers éternel qui passe « pour toujours » à atteindre la transition du Big Bang, mais je pourrais mal comprendre les choses. Il paraît étrange qu’un univers passe un temps infini avant qu’un changement aussi immense (le Big Bang) se produise soudainement, mais ce n’est pas plus étrange — ni moins possible — qu’une inversion temporelle d’un univers qui subit un grand changement (le Big Bang) puis s’étend éternellement. Vous avez un passé infini, il se produit quelque chose à un moment donné, puis vous avez un futur infini (ou pas ?). Plus vous remontez vers le passé, plus l’univers paraît vide et plat ; plus vous avancez vers le futur, plus l’univers ressemble à la prédiction classique du destin de notre univers (possiblement expansion éternelle, mais peut-être effondrement).

Je pense qu’il y a des problèmes phénoménologiques avec le scénario PBB (peut-il rendre correctement compte des observations ?), et l’on ne sait pas encore s’ils peuvent être résolus. De plus, des objections ont été formulées contre la condition de « trivialité asymptotique du passé » (c’est-à-dire l’univers devenant plus plat et plus simple à mesure que l’on revient avant le Big Bang) ; c’est peut-être l’hypothèse la plus simple, mais cela ne signifie pas qu’elle se soit réellement produite — c’est toujours une hypothèse.

Cependant, le scénario PBB est sans doute l’un des approches les plus _conservatrices_ de la cosmologie des cordes, avec les hypothèses les plus minimales.

Quelques références :

http://www.to.infn.it/~gasperin/ http://arXiv.org/abs/hep-th/0002094

(Entre autres, ignorez les affirmations triomphalistes habituelles de ce travail selon lesquelles « le seul candidat à une synthèse cohérente de la relativité générale (RG) et de la mécanique quantique (MQ) est la théorie des supercordes » — la plupart, sinon la majorité, des théoriciens des cordes ont une vision paroissiale et dépassée de l’état de la gravité quantique. Il existe sans doute d’autres candidats qui paraissent prometteurs — tels que la gravité quantique à boucles — bien que l’on ne sache pas encore lequel est le plus précis.)

[7] DIVERS

Il existe de nombreuses idées ! Je n’ai cité que certaines des plus connues (ou du moins de celles dont j’ai entendu parler). Voici quelques autres plus spéculatives.

[7a] Sélection naturelle cosmologique.

Smolin a proposé (http://arXiv.org/abs/gr-qc/9404011; _The Life of the Cosmos_) la « sélection naturelle cosmologique », dans laquelle les Big Bangs sont le résultat d’universs se formant à partir de la création de singularités de trous noirs dans des « universs » antérieurs.

Cette proposition n’a actuellement aucune base théorique réelle — c’est presque une pure spéculation — mais c’est une manière intéressante d’éviter le principe anthropique. Pourquoi les constantes fondamentales de l’univers sont-elles ce qu’elles sont ? Smolin suggère que c’est parce qu’elles évoluent avec le temps, et que si les universs sont les produits des trous noirs, ils devraient évoluer d’une manière produisant beaucoup de trous noirs — et donc, peut-être, des étoiles et la vie.

Même si cette idée particulière est fausse, l’idée de « l’auto-organisation » dynamique peut subsister dans d’autres théories — comme la théorie des cordes — pour expliquer comment l’univers en est venu à être tel qu’il est, même si nous ne savons pas grand-chose de la façon dont (ou si) l’univers a commencé.

Changement de sujet : tout récemment une nouvelle proposition est apparue, l’« univers ekpyrotique » (http://arXiv.org/abs/hep-th/0103239), inspirée par l’image du « monde brane » de Randall-Sundrum (http://arXiv.org/abs/hep-th/9810155, http://arXiv.org/abs/hep-ph/9905221, http://arXiv.org/abs/hep-th/9906064) — ou plutôt son incorporation ultérieure dans la théorie M hétérotique par Horava et Witten (http://arXiv.org/abs/hep-th/9510209, http://arXiv.org/abs/hep-th/9603142, http://arXiv.org/abs/hep-th/9711197, http://arxiv.org/abs/hep-th/9803235).

Dans l’image R-S, notre univers à 4 dimensions est une « brane » (ou surface) vivant au sein d’un espace-temps à dimensions supérieures. (Plutôt, toute la matière et les champs de jauge sont confinés sur cette brane ; la seule chose pouvant quitter la brane est la gravité. C’est naturel dans la physique D-brane de la théorie des cordes.) Cela diffère de la théorie des cordes traditionnelle, où nous ne sommes confinés à aucune surface de dimension inférieure de l’espace-temps supérieur — notre univers apparaît 4D non pas parce que nous sommes confinés à une sous-surface 4D, mais parce que certaines dimensions spatiales sont « enroulées » (compactifiées). Je ne vais pas entrer dans l’image Horava-Witten sur laquelle l’univers ekpyrotique repose le plus directement, puisque je ne la comprends pas.

Les universs-brane sont une alternative à la compactification pour expliquer pourquoi nous ne voyons que quatre dimensions. Mais il faut noter que les scénarios brane-world peuvent être facilement accommodés dans la théorie des cordes (où se concentre la majorité des travaux sur brane-world) ; il suffit de supposer que moins de dimensions sont compactifiées, et R-S/H-W est invoqué pour expliquer pourquoi nous ne voyons pas les autres dimensions non compactifiées.

Dans l’univers ekpyrotique, l’espace-temps est (en négligeant les dimensions compactifiées) à 5 dimensions et est borné de chaque côté par une paire de branes 4-dimensionnelles planes. Ce que nous percevons comme notre univers est l’une de ces branes ; l’autre est « cachée » car rien ne peut voyager entre les branes autre que des effets gravitationnels, donc nous ne pouvons pas la voir directement. (Cela a donné lieu à quelques discussions dans la presse sur les « universs ombragés ». ) Cette brane cachée est standard dans les modèles R-S ; elle sert à résoudre le problème hiérarchique et d’autres questions.

La théorie ekpyrotique introduit une troisième brane 4-dimensionnelle — pour la simplicité, à mon avis ; il pourrait y en avoir davantage — entre les branes frontières, qui peut se déplacer « dans le bulk » (dans le plein espace-temps « 5-dimensional »). (Alternativement, vous pourriez peut-être vous passer de cette brane ; il est possible qu’une brane du bulk puisse se détacher de la brane cachée.) Finalement elle entre en collision avec notre brane, fusionne avec elle, et déclenche ce que nous percevons dans notre univers comme un « Big Bang ».

Pour moi, le scénario ekpyrotique sonne comme une construction assez artificielle — nous ne savons pas que notre univers devait être ainsi ; rien dans la théorie des cordes ne suggère que cette condition initiale devait être probable. (Même si cela était le cas, le scénario décrit peut se produire si la théorie des cordes est correcte.) À ce stade il ne s’agit vraiment que d’une « preuve de concept », visant à montrer que d’autres alternatives sont possibles.

En outre, un article publié peu après cette proposition initiale (http://arXiv.org/abs/hep-th/0104073) affirme que le scénario ekpyrotique présente de graves problèmes d’ajustement fin. Il pourrait donc s’agir de l’une des nombreuses idées ingénieuses éphémères qui ne semblent intéressantes que parce qu’il n’y a pas eu le temps qu’elles soient totalement réfutées.

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Pour résumer : la plupart des propositions concernant l’origine de l’univers éliminent la singularité du Big Bang en tant que « origine de l’univers », ou la rendent sans pertinence. En général, soit il y avait quelque chose avant l’univers et (pour une raison ou une autre) les effets de gravité quantique ont commencé à dominer et ont produit un « Big Bang », et/ou des effets quantiques au moment du « Big Bang » font en sorte que la phrase « avant le Big Bang » n’a pas vraiment de sens (cela suppose des notions classiques de l’espace et du temps). Ou bien il y avait quelque chose avant le Big Bang, et les effets de gravité quantique de l’espace-temps n’étaient pas responsables du Big Bang ; cela aurait pu être un événement d’inflation ou une collision de branes ou autre chose, et ce qui s’est produit dans l’univers avant cela peut être sans pertinence pour la formulation de prédictions sur l’univers observable.

Les propositions varient selon leur usage des connaissances de la gravité quantique, de l’inflation (pas beaucoup) à la cosmologie quantique standard (un peu), puis à la cosmologie quantique à boucles (beaucoup) à la théorie des cordes (cela dépend de la manière dont on place la frontière entre « gravité quantique » et « tout le reste » dans une théorie quantique unifiée des champs, mais je dirais de « peu » à « beaucoup »). Je dirais qu’on ne peut pas dire de manière définitive quoi que ce soit sur les origines de l’« univers vrai » — c’est-à-dire les modèles où notre univers n’est qu’un sous-ensemble de quelque chose d’autre, ainsi que ceux où il serait la totalité — sans une théorie solide de la gravité quantique, bien qu’il ne soit peut-être pas nécessaire de le faire pour l’« univers observable » et ce que nous percevons comme le « Big Bang ».

La plupart de ces propositions paraissent assez exotiques, mais cela n’a rien d’étonnant ; lorsque vous combinez l’incertitude quantique avec les notions d’espace, de temps et de causalité, des phénomènes hautement non intuitifs sont susceptibles de se produire. Il convient de noter que la plupart de ces propositions n’ont pas été « concoctées » de manière ad hoc pour avoir les propriétés qu’elles ont (comme l’élimination du besoin de données initiales, ou l’élimination de la singularité, ou autres) ; elles sont des conséquences d’extensions naturelles et souvent conservatrices de la physique connue (bien que souvent dans des approximations incertaines).

Il faut aussi noter, cependant, qu’il existe une assez forte chance que toute preuve observationnelle directe de ce qui se serait passé, le cas échéant, avant le Big Bang soit soit très difficile à obtenir, soit fondamentalement impossible — du moins à court terme. (Des preuves indirectes peuvent arriver, mais je n’attends pas avec impatience la preuve directe.)

Maintenant une petite part non liée à la physique pertinente pour talk.origins — je suis sûr que c’est là que les théistes attendent de pouvoir intervenir en pointant une « défaillance de la science », donc je dirai simplement ceci :

(1) Comme Guth, je ne considère pas comme une défaillance de la science le fait de ne pas observer quelque chose, tant que nous pouvons _prédire_ que nous ne devrions pas observer cette chose, et tant que nos théories ont d’autres prédictions testées. Aucune exigence de la science ou de la nature ne stipule que les expériences humaines doivent être capables de révéler tout de l’univers, ou que les esprits humains soient capables de comprendre les lois de la physique, ni de les découvrir si elles sont compréhensibles. (Cela n’implique pas non plus que la religion _puisse_ offrir ces choses.) Si nous pouvons comprendre l’univers et obtenir des preuves sur ses origines, nous pouvons simplement être chanceux de vivre dans un univers dont les lois le permettent.

(2) C’est une fausse dichotomie de penser que si une théorie scientifique donnée ne peut expliquer quelque chose ou être vérifiée, cela implique qu’une explication théiste est plus probable. L’hypothèse par défaut n’est pas « si la science ne peut pas l’expliquer, [insérez la religion ici] l’explique ». L’hypothèse par défaut est « nous ne savons pas comment c’est arrivé », et il faut fournir des éléments de preuve *en faveur* de quelque chose (et espérons-le, sans que ce soit nécessairement le cas, aussi *contre* des alternatives concurrentes) pour qu’il ait du mérite.

Exemple : l’histoire est remplie d’objets inexpliqués pour lesquels des solutions théistes ont d’abord été proposées, par ex. la météo, l’origine de la vie, la formation de la Terre, la nature des objets astronomiques et « les cieux », etc. Les explications théistes ont fini par ne pas perdurer comme explications des phénomènes observés, même lorsqu’il n’y avait pas d’explication concurrente (scientifique ou autre) pendant des centaines ou des milliers d’années. La plupart ont été remplacées par des explications scientifiques, et même si toutes ne l’ont pas été, cela ne suggère en rien que les explications théistes restantes aient davantage de chance d’être vraies.

Cela concerne une idée reçue commune des créationnistes que les « évolutionnistes sans Dieu » adhèrent à leurs théories par désir d’« éviter Dieu ». Outre le fait que la plupart des « évolutionnistes » (et peut-être la plupart des cosmologistes) sont probablement chrétiens, je pense que si vous demandiez à la plupart des athées, ils diraient que leurs croyances scientifiques sont indépendantes de leurs croyances religieuses.

C’est-à-dire que même si chaque théorie scientifique connue était soudainement falsifiée demain, cela ne voudrait pas dire que des scientifiques athées deviendraient soudainement religieux, parce que leur athéisme a à voir avec un *manque* de preuve spécifique pour le théisme plutôt qu’avec une *présence* d’une explication scientifique concurrente ; falsifier une explication scientifique ne produit pas du jour au lendemain une nouvelle preuve favorisant une explication théiste. En l’absence de preuve scientifique ou théiste, l’athée reviendrait à l’hypothèse par défaut « je ne sais pas », plutôt que de se tourner vers une explication théiste. Il faudrait de nouvelles preuves spécifiques favorables à une explication théiste — et une explication particulière, prédictive, non une formule générique « les dieux ont créé l’univers » — pour que cela se produise.