Stephen Hawking (presque) dernier papier: mettre un terme au début de l’univers

Lorsque Stephen Hawking est décédé le 14 Mars, le célèbre physicien théoricien avait un peu de papiers toujours dans les travaux. Aujourd’hui, le Journal of High Energy Physics a publié son dernier travail en cosmologie—la science de la façon dont l’univers a vu le jour et a évolué. (D’autres documents sur les trous noirs sont encore en préparation.,) Dans le nouvel article, Hawking et Thomas Hertog, physicien théoricien à L’Université Catholique de Louvain (KU) en Belgique, tentent de coller une épingle dans un concept bizarre appelé inflation éternelle, qui implique—inévitablement, selon certains physiciens—que notre univers n’est qu’un infiniment nombreux dans un multivers. Empruntant un concept à la théorie des cordes, Hawking et Hertog soutiennent qu’il n’y a pas d’inflation éternelle et qu’il n’y a qu’un seul univers. Mais ce qu’ils conduisent est quelque chose d’encore plus fondamental: ils prétendent que notre univers n’a jamais eu de moment singulier de création.,

en quoi l’argument de travail? Suivez son fil d’enroulement jusqu’à la fin du début.

commençons par les bases: qu’est-ce que l’inflation cosmique?

l’inflation cosmique est une poussée de croissance monumentale qui aurait étiré l’univers infantile pendant la première fraction de seconde. Imaginée en 1979 par le théoricien américain Alan Guth, l’inflation soutient que juste après le big bang, l’espace s’est étiré de manière exponentielle, doublant la taille de l’univers encore et encore au moins 60 fois avant de ralentir considérablement.

pourquoi les cosmologistes croiraient-ils en quelque chose d’aussi bizarre?,

l’Inflation résout un grand mystère: Pourquoi l’univers est-il uniforme? Par exemple, l’espace est rempli rayonnement persistant du big bang, le fond cosmique micro-ondes (CMB). Il a presque exactement la même température partout dans le ciel. C’est étrange, car les points largement séparés semblent à première vue être trop éloignés pour que toute influence puisse atteindre l’un à l’autre au cours des 13,8 milliards d’années que l’univers a traversées. L’Inflation résout ce casse-tête en impliquant que tous les points du ciel ont commencé assez près pour interagir, puis ont été étirés loin l’un de l’autre.,

est-ce tout ce que l’inflation fait?

ironiquement, l’inflation fait également un excellent travail pour expliquer pourquoi l’univers n’est pas complètement uniforme. De toute évidence, l’espace est parsemé de galaxies. Selon la théorie, l’inflation étirait les fluctuations quantiques infinitésimales dans ces premiers moments à la taille extragalactique. Les fluctuations ont ensuite produit des variations dans la soupe dense de particules fondamentales qui ont ensemencé la formation des galaxies. L’Inflation prédit un spectre particulier de fluctuations plus longues et plus courtes. Étonnamment, les études du CMB et des galaxies confirment cette distribution.,

alors, qu’est-ce que l’inflation éternelle?

Voici où le concept d’inflation rencontre des problèmes qui lui sont propres. Les physiciens n’aiment pas profondément l’idée que l’inflation s’arrêterait soudainement, sans raison particulière., Ils préfèrent de loin avoir un mécanisme qui explique ce qui a entraîné l’inflation et l’a ensuite fait arrêter. C’est pourquoi ils supposent qu’une sorte de champ quantique l’a conduit, avant de disparaître. L’idée est que le champ commence dans un État de « faux vide” d’énergie supérieure à peu près stable dans lequel l’espace s’étend de manière exponentielle. Il se détend ensuite à son véritable état d’énergie la plus basse, dans lequel l’espace se dilate beaucoup plus lentement.

Le scénario fonctionne un peu trop bien, cependant., Le faux vide en expansion exponentielle produit de plus en plus de lui-même, donc il y a toujours plus d’espace en expansion à un rythme incroyablement rapide. Notre univers est un patch qui a subi la transition vers l’état de vide véritable à basse énergie. Mais de telles transitions devraient se produire au hasard, donc il devrait y avoir beaucoup d’autres univers, aussi. En fait, le processus devrait produire une quantité toujours croissante d’espace qui croît à un rythme exponentiel, parsemé d’un nombre infini « univers de poche” croissant plus lentement.

Est-ce un problème?

Cela dépend de qui vous demandez., Au niveau le plus élémentaire, l’existence de tous ces autres univers n’affecterait pas notre univers. Ils sont juste trop loin pour avoir un lien avec le nôtre. D’autre part, la notion d’inflation éternelle et d’un multivers peut contrecarrer toute l’entreprise des cosmologistes d’expliquer pourquoi l’univers est comme il est, dit Hertog. Des choses comme les valeurs de certaines constantes physiques clés pourraient varier au hasard parmi les univers de poche, dit-il, ce qui rendrait inutile tout effort pour expliquer pourquoi ils ont les valeurs qu’ils font dans notre univers., Ils seraient fixés par hasard, dit Hertog, et ce n’est pas très satisfaisant.

alors, comment le papier de Hawking et Hertog résout – il le problème?

Hawking et Hertog soutiennent qu’en fait, l’inflation éternelle ne se produit pas. Pour ce faire, ils empruntent un concept à la théorie des cordes qui leur permet d’assimiler deux types de théories différentes avec des dimensionnalités différentes. En 1997, le théoricien Argentino-américain Juan Maldacena a considéré un volume d’espace dans lequel la gravité était à l’œuvre., Maldacena, qui est maintenant à L’Institute for Advanced Study à Princeton, New Jersey, a ensuite démontré que la théorie était équivalente à une théorie quantique plus facile à travailler à la limite de l’espace qui n’incluait pas la gravité. C’est comme dire que tout ce qui se passe à l’intérieur d’une canette de soda peut être capturé par une théorie décrivant uniquement ce qui se passe à la surface de la canette.

l’inflation éternelle émerge parce que, dans l’univers très précoce, les fluctuations quantiques du champ qui entraîne l’inflation sont aussi grandes que la valeur moyenne du champ., Mais Hawking et Hertog soutiennent que dans ces conditions, on ne peut pas simplement continuer avec la théorie générale de la relativité D’Albert Einstein, mais doit utiliser une manœuvre comme celle de Maldacena pour voir toute la situation dans un espace avec une dimension de moins. Dans cet espace alternatif, les choses sont plus traçables, affirment-ils, et la physique ne conduit pas à une inflation éternelle. Au lieu de cela, un univers unique et bien élevé fusionne.

qu’est ce que cela a à voir avec le début de l’univers?

c’est là Que les choses deviennent intéressantes et délicat., Le concept d’assimiler une théorie à une autre dans un espace avec une dimension de moins est connu des physiciens théoriciens sous le nom d’holographie. Dans son travail, Maldacena a assimilé une théorie à une autre dans un espace avec une dimension spatiale en moins. Mais, selon Hertog, le principe de l’holographie permet aux théoriciens de larguer la dimension du temps. Ainsi, dans la théorie de Hawking et Hertog, à travers le principe de l’holographie, l’univers très précoce devrait être décrit par une théorie avec seulement trois dimensions spatiales et pas de temps.

Mais pourquoi voudriez-vous se débarrasser de temps?,

Depuis qu’il est devenu clair que l’univers avait un début, le moment de sa naissance a été un casse-tête pour les théoriciens. En gros, la théorie générale de la relativité D’Einstein fait un excellent travail pour expliquer les choses après le moment du big bang, mais ne peut pas gérer l’instant de la création elle-même. Ce moment forme une « singularité » dans l’espace—temps—comme une fonction mathématique qui explose à l’infini-qui fait trébucher la théorie. Les théoriciens ont donc longtemps cherché un moyen d’éviter cette singularité—et perdre du temps serait une façon de le faire.,

C’est un problème qui a fasciné Hawking toute sa carrière, dit Hertog. Il y a des décennies, il a suggéré une solution alternative en spéculant qu’au tout début, le temps était, grossièrement parlant, dimensionnel, une idée qui ne correspondait pas au nouveau travail.

est-ce donc la fin de l’inflation éternelle et de la singularité du big bang?

Probablement pas. D’autres scruteront L’invocation par Hawking et Hertog de la relation qui change de dimension. Et même si d’autres chercheurs le trouvent sain, il reste une question majeure à répondre, reconnaît Hertog., Si les théoriciens commencent par une théorie avec seulement des dimensions spatiales, comment le temps en émerge-t-il enfin? ” Nous avons jeté un nouveau paradigme », dit Hertog,  » mais il y a beaucoup de travail à faire. »

*Correction, 3 mai, 10 h: Cette histoire a été mise à jour pour corriger le nom de L’Institute for Advanced Study.