Vous serez surpris d'apprendre que notre univers est en fait assez simple - ce sont nos théories cosmologiques qui s'avèrent être inutilement complexes, dit l'un des plus grands physiciens théoriciens du monde. Une telle conclusion peut paraître illogique: en fin de compte, pour comprendre la vraie complexité de la Nature, il faut penser plus large, étudier les choses à une échelle de plus en plus petite, ajouter de nouvelles variables aux équations, inventer une physique «nouvelle» et «exotique». Un jour, nous découvrirons ce qu'est la matière noire, nous aurons une idée de l'endroit où se cachent les ondes gravitationnelles inhabituelles - si seulement nos modèles théoriques devenaient plus développés et plus … complexes.
Ce n'est pas le cas, déclare Neil Turok, directeur de l'Institut Perimeter de physique théorique en Ontario, au Canada. Selon Turok, si l'univers, à la plus grande et à la plus petite échelle, nous dit quelque chose, c'est son incroyable simplicité. Mais pour bien comprendre cela, nous avons besoin d'une révolution en physique.
Dans une interview avec Discovery, Turok a noté que les découvertes majeures des dernières décennies ont confirmé la structure de l'Univers aux échelles cosmologique et quantique.
«À grande échelle, nous avons cartographié le ciel entier - le fond cosmique des micro-ondes - et mesuré l'évolution de l'univers, comment il a changé, comment il s'est étendu… et ces découvertes montrent que l'univers est incroyablement simple», dit-il. "En d'autres termes, vous pouvez décrire la structure de l'Univers, sa géométrie, la densité de la matière avec un seul chiffre."
La conclusion la plus excitante de ce raisonnement est qu'il est plus facile de décrire la géométrie de l'univers avec un seul nombre que de décrire numériquement l'atome le plus simple que nous connaissons - l'atome d'hydrogène. La géométrie de l'atome d'hydrogène est décrite par trois nombres qui découlent des caractéristiques quantiques d'un électron sur son orbite autour d'un proton.
«Cela nous indique que l'univers est lisse, mais a un faible niveau de fluctuation, qui est décrit par ce nombre. Et c'est tout. L'univers est la chose la plus simple que nous connaissons."
Quelque part à l'autre bout de l'échelle, quelque chose de similaire s'est produit lorsque des physiciens ont exploré le champ de Higgs en utilisant la machine la plus complexe jamais construite par les humains, le grand collisionneur de hadrons. Lorsque les physiciens ont historiquement découvert la particule médiatrice de Higgs - le boson de Higgs en 2012 -, il s'est avéré être le type le plus simple décrit par le modèle standard de particules.
Vidéo promotionelle:
«La nature utilise la plus petite solution, le plus petit mécanisme imaginable, pour donner aux particules leur masse, leur charge électrique, etc.», explique Turok.
Les physiciens du XXe siècle nous ont appris que si vous augmentez la précision et que vous vous aventurez plus profondément dans le monde quantique, vous trouverez un zoo de nouvelles particules. Parce que les résultats expérimentaux ont produit beaucoup d'informations quantiques, les modèles théoriques ont prédit de plus en plus de particules et de forces. Mais maintenant, nous avons atteint un carrefour où beaucoup de nos idées théoriques avancées sur ce qui se trouve «au-delà» de notre compréhension actuelle de la physique attendent des résultats expérimentaux qui soutiendront des prédictions inhabituelles.
«Nous sommes dans une situation étrange où l'Univers nous parle; cela nous dit que c'est extrêmement simple. Dans le même temps, les théories qui ont été populaires (les 100 dernières années de physique) deviennent de plus en plus complexes, arbitraires et imprévisibles », dit-il.
Le Turc pointe vers la théorie des cordes, qui a été présentée comme la «théorie de l'unification ultime», regroupant tous les secrets de l'univers dans un ensemble soigné. Et aussi à la recherche de preuves d'inflation - l'expansion rapide de l'univers qu'il a connue presque immédiatement après le Big Bang il y a environ 14 milliards d'années - sous la forme d'ondes gravitationnelles primordiales gravées dans le fond cosmique des micro-ondes, l '«écho» du Big Bang. Mais lorsque nous cherchons des preuves expérimentales, nous saisissons des pailles; les preuves expérimentales ne sont tout simplement pas d'accord avec nos théories d'une complexité insupportable.
Nos origines cosmiques
Le travail théorique de Turok est consacré à l'origine de l'univers, un sujet qui a beaucoup retenu l'attention ces derniers mois.
L'année dernière, la collaboration BICEP2, qui utilise un télescope au pôle Sud pour étudier le CMB, a annoncé la détection de signaux d'ondes gravitationnelles primaires. C'est une sorte de «Saint Graal» de la cosmologie - la découverte des ondes gravitationnelles générées par le Big Bang peut confirmer les théories inflationnistes de l'Univers. Malheureusement pour l'équipe BICEP2, ils ont annoncé la «découverte» avant même que le télescope spatial européen Planck (qui cartographie également le fond des micro-ondes) ne montre que le signal BICEP2 était causé par la poussière de notre galaxie, et non par les anciennes ondes gravitationnelles.
Et si les ondes gravitationnelles primordiales ne le trouvaient jamais? De nombreux théoriciens qui ont mis leurs espoirs dans un Big Bang suivi d'une période d'inflation rapide peuvent être déçus, mais, selon Turok, «ce sera un indice puissant» que le Big Bang (au sens classique du terme) n'est peut-être pas le début absolu de l'univers.
«Le plus difficile pour moi est de décrire le Big Bang lui-même mathématiquement», ajoute Turok.
Peut-être qu'un modèle cyclique de l'évolution de l'univers - lorsque notre univers s'effondre et recommence - conviendrait mieux aux observations. De tels modèles inhabituels n'ont pas besoin de produire des ondes gravitationnelles primordiales, et si ces ondes ne sont pas détectées, peut-être que nos théories inflationnistes doivent être améliorées.
En ce qui concerne les ondes gravitationnelles qui devraient être générées par le mouvement rapide d'objets massifs dans notre univers moderne, Turok est convaincu que nous avons atteint un tel degré de sensibilité que nos détecteurs devraient bientôt les détecter, confirmant l'une des prédictions d'Einstein sur l'espace-temps. "Nous nous attendons à voir des ondes gravitationnelles de la collision de trous noirs dans les cinq prochaines années."
La prochaine révolution?
Des plus grandes échelles aux plus petites, l'Univers semble être «sans échelle» - en d'autres termes, quelle que soit l'échelle spatiale ou énergétique que vous regardez, il n'y a rien de «spécial» sur l'échelle. Et cette conclusion plaide en faveur du fait que l'Univers a une nature beaucoup plus simple que ne le suggèrent les théories modernes.
«C'est une crise, mais une crise à son meilleur», dit Turok.
Ainsi, afin d'expliquer l'origine de l'univers et d'accepter certains des mystères les plus mystérieux de notre univers, comme la matière noire et l'énergie noire, nous devrons peut-être regarder l'espace de manière complètement différente. Cela exigera une révolution dans la compréhension de la physique, une approche révolutionnaire comparable en force à la prise de conscience d'Einstein que l'espace et le temps sont les deux faces d'une même médaille, lorsque la relativité générale s'est formée.
«Nous avons besoin d'une vision complètement différente de la physique fondamentale. Le moment est venu pour des idées radicalement nouvelles », conclut Turok, notant que le moment est venu pour les jeunes d'étudier la physique théorique, car c'est la prochaine génération qui changera probablement notre compréhension de l'Univers.
Ilya Khel