L'univers a eu un début. Mais par où cela a-t-il commencé? Qu'est-ce que tu es devenu au début? Nous savons que tout a commencé par une expansion assez rapide et s'est terminé par un grand nombre de galaxies constituées de petites particules. Mais qu'est-ce qui s'est passé avant cela? Quelles étaient les lois de la physique quand tout a commencé? Les physiciens célèbres James Hartl et Stephen Hawking ont proposé plusieurs réponses à ces questions il y a plusieurs décennies. Un nouveau travail d'un autre groupe de physiciens a analysé l'interprétation populaire de Hawking et Hartle de la géométrie du Big Bang et a rencontré des problèmes. Ces résultats éclairent le problème du début de l'univers. Un nouvel obstacle que toutes les théories du futur devront surmonter.
«Nous avons essayé un calcul plus rigoureux et avons trouvé une solution différente», explique Job Feldbrügge, étudiant diplômé résident à l'Institut Perimeter. "La théorie que nous utilisons jette un nouvel éclairage sur la théorie existante et montre qu'elle peut ne pas fonctionner comme prévu."
Les scientifiques essaient généralement de comprendre le début de l'univers en examinant les lois de la gravité d'Einstein, appelées relativité générale, et en les jouant à l'envers. Après tout, ils veulent arriver au point où l'univers était très petit. Mais les questions les plus intéressantes se posent sur ce à quoi ressemblait le jeune univers, était-il assez petit pour obéir aux lois de la mécanique quantique, qui régit les plus petites particules, atomes et photons.
Il existe plusieurs façons de démarrer un univers comme le nôtre. Peut-être, pensaient Hawking et Hartle, que cet univers condensé n'était qu'un point dans l'espace avec un état quantique spécial, la soi-disant fonction d'onde, qui décrit tout cela dans le langage de la mécanique quantique. Puis le temps est venu. La philosophie et la religion ont besoin de beaucoup parler sur ce sujet, mais les mathématiciens ont juste besoin d'un stylo et de papier. Cet univers ponctuel s'est développé sur la base des mathématiques de la relativité générale avec les propriétés originales de la mécanique quantique intégrées dans sa structure. Ainsi, ces minuscules fluctuations aléatoires d'énergie dans l'espace auraient dû, au cours d'une expansion rapide - l'inflation - se transformer en différences de densité à grande échelle que nous observons dans l'Univers moderne, avec des galaxies et des vides. La théorie de Hawking et Hartle était l'une des nombreuses façons de marquer le début d'un univers sans singularité, un point de volume zéro et une masse infinie qui n'avaient pas beaucoup de sens. D'autres idées, comme celles proposées par Alexander Vilenkin, n'impliquaient pas cette singularité initiale.
Un nouvel article paru récemment sur le serveur de pré-impression arXiv introduit un problème. Dans les calculs mathématiques de Hawking, Hartles et Vilenkin, la nouvelle équipe n'a pas obtenu les minuscules fluctuations quantiques nécessaires pour créer l'univers d'aujourd'hui. Au lieu de cela, ces fluctuations sont gigantesques et créent un univers complètement différent du nôtre.
«Les calculs que nous avons effectués ont conduit à de fortes ondes gravitationnelles après le Big Bang», explique Feldbrugge - d'énormes fluctuations dans la forme de l'espace-temps lui-même. «Cela ne pouvait pas conduire à un univers comme celui d'aujourd'hui. Les calculs contredisent ce que nous voyons."
Hartl n'est pas particulièrement inquiet des résultats de l'équipe de Feldbrugge. «En cosmologie, nous avons encore trop peu de données par rapport à ce qu'elles auraient pu être», dit-il. "Nous faisons donc de notre mieux pour soutenir le morceau de théorie qui convient le mieux à nos observations." Il voit le nouveau travail comme une autre tentative de renverser le jeu en offrant plus d'informations et un chemin mathématique différent que les scientifiques peuvent suivre. "Les chercheurs ont le droit de choisir de poursuivre cette idée ou une autre."
Son équipe a également récemment publié un autre article révisant ses propres mathématiques et démontrant pourquoi sa théorie fonctionne toujours.
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Pourtant, les mathématiques de Feldbrugge et de son équipe semblent montrer qu'une apparence lisse d'un univers sans aucune singularité n'est «pas une option». Leurs mathématiques contestent directement Hartle et Hawking.
Lier la mécanique quantique et la relativité générale pour expliquer le début de l'univers n'est ni nouveau ni presque résolu. En fait, c'est l'un des principaux problèmes que les physiciens théoriciens tentent de résoudre, compte tenu de son importance pour comprendre l'origine de l'univers, lorsque les deux ensembles de lois sont appliqués à la même échelle, et l'importance des trous noirs dans lesquels la gravité est si forte que la lumière ne peut pas la quitter.
Plus important encore, Feldbrugge ne croit pas qu'un univers qui commence par les lois de la mécanique quantique et de la relativité puisse créer de petites fluctuations qui conduiraient à un univers comme le nôtre - il pense qu'il doit y avoir autre chose. «On ne sait pas quelle solution sera la dernière option», dit-il.
Les opinions des physiciens sur cette question sont très différentes. Paul Steinhardt, professeur de physique à l'Université de Princeton, dit qu'il existe déjà des moyens alternatifs pour éviter les problèmes dans un nouvel emploi, ainsi que d'autres plaintes concernant le modèle Hawking-Hartle. Ce soi-disant modèle illimité nécessite des solutions mathématiques pour créer un univers comme le nôtre.
«Quelle est l'alternative? Un rebond sans singularité », dit-il, se référant à un modèle qu'il développe avec la cosmologiste de Princeton Anna Idjas. Selon ce modèle, l'univers s'effondre puis se déploie dans notre propre univers, bien avant que l'on puisse commencer à penser aux effets de la mécanique quantique.
Sabine Hossenfelder, chercheuse à l'Institut d'études avancées de Francfort, n'est pas sûre des nouveaux résultats. «La seule chose que je peux conclure est que nous ne savions pas comment l'univers a commencé avant que ce travail ne soit écrit. Et nous ne savions pas cela après la publication de cet ouvrage. Les théoriciens prennent les mathématiques au sérieux et ont fait ces calculs avec le temps et l'espace bien avant que les télescopes ne les confirment. La seule façon de savoir avec certitude ce qui se passe est par l'expérimentation.
Aujourd'hui, la plupart de ces théories peuvent être confirmées ou infirmées par les observations de la plus ancienne lumière qui nous soit parvenue, le fond cosmique des micro-ondes. Les scientifiques espèrent que les idées de leurs théories aideront à isoler les signatures importantes de ces données.
Est-il possible de vérifier le travail de Feldbrugge et de son équipe? Ils ne font que commencer. Évidemment, cela prendra beaucoup de temps pour vérifier. Les scientifiques doivent finalement créer un univers qui ressemble au nôtre. Mais les détails de ce processus n'ont pas encore été déterminés.
ILYA KHEL