La cosmologie et la flèche du temps | Sean Carroll | TEDxCaltech

Cette présentation a eu lieu lors d'un évènement local TEDx, produit indépendamment des conférences TED.

Les recherches de Sean Carroll couvrent de nombreux sujets concernant la physique théorique, se concentrant sur la cosmologie, la physique des particules et la relativité générale, avec un accent mis sur la matière sombre, l'énergie sombre et l'origine de l'univers.

L'Univers est vraiment vaste.

Nous habitons une galaxie, la Voie lactée.

On y trouve une centaine
de milliards d'étoiles,

et en pointant un appareil photo
n'importe où dans le ciel,

en laissant l'obturateur ouvert,

du moment que l'appareil est attaché
au Télescope Spatial Hubble,

le résultat ressemblera à ceci.

Chacune de ces taches est une galaxie,

de taille similaire à notre Voie Lactée.

Une centaine de milliards d'étoiles
dans chacune de ces taches,

avec environ cent milliards de galaxies
dans l'Univers observable.

Cent milliards est le nombre à retenir,

l'âge de l'Univers nous séparant
du Big Bang

est de cent milliards en « années chien »,

(Rires)

ce qui en dit long sur
notre place dans l'Univers.

Une chose à faire avec une telle photo
est de simplement l'admirer,

elle est magnifique,
je me suis souvent demandé

quelle pression de sélection
a poussé nos ancêtres à se développer,

à évoluer de façon à apprécier les images
de la galaxie, sans jamais la voir.

Mais nous voudrions aussi comprendre ceci,

en tant que cosmologue je demande :
« Pourquoi l'Univers est-il ainsi ? »

Une piste majeure est le changement
de l'Univers avec le temps.

En observant l'une de ces galaxies
pour mesurer sa vélocité,

on observe qu'elle s'éloigne de nous,

et en prenant une galaxie plus éloignée,
on s'aperçoit qu'elle s'éloigne plus vite.

Alors nous concluons
que l'Univers s'étend.

Ce qui signifie que par le passé,

les choses étaient plus proches
les unes des autres.

Par le passé, l'Univers était plus dense,
mais aussi plus chaud.

Si les choses se condensent,
la température monte.

Cela nous semble logique.

Ce qui semble moins logique
est que l'Univers primitif,

peu après du Big Bang,

était aussi très, très homogène.

Cela peut vous sembler évident ;
l'air dans cette pièce est très homogène,

on pourrait dire : « Ces choses
deviennent homogènes naturellement. »

Mais les modalités à l'époque
du Big Bang sont très, très différentes

de celles de l'air de cette pièce.

En particulier, tout était
bien plus dense,

La force gravitationnelle était
bien plus forte peu après le Big Bang.

Ce dont il faut se rappeler,

c'est que nous avions un Univers
de cent milliards de galaxies,

cent milliards d'étoiles chacune.

Au début, cette centaine
de milliards de galaxies

étaient condensées dans un espace
grand comme ça, vraiment, au tout début.

Il fallait s'imaginer condenser tout ça
sans la moindre imperfection,

sans recoin où pourrait se trouver
un peu plus d'atomes qu'ailleurs,

car le cas échéant,
ils se seraient effondrés

sous la force gravitationnelle
en un énorme trou noir.

Conserver la grande homogénéité
de l'Univers à ses débuts est difficile.

C'est un arrangement délicat.

Cela indique que l'Univers des débuts
n'a pas été conçu aléatoirement,

quelque chose l'a conçu de cette manière,

et nous voudrions savoir ce que c'est.

Notre compréhension de ceci fut en partie
introduite par Ludwig Boltzmann,

physicien autrichien du XIXe siècle.

Sa contribution a été de nous aider
à comprendre l'entropie.

Vous connaissez l'entropie,

c'est l'aléatoire, le désordre,
l'aspect chaotique de certains systèmes.

Boltzmann nous a donné une formule,
qui lui sert maintenant d'épitaphe,

qui quantifie ce qu'est
vraiment l'entropie.

Dit simplement, l'entropie
est le nombre de possibilités

que nous avons d'arranger les constituants
d'un système sans que ce soit perceptible.

Donc au niveau macroscopique,
rien ne change.

Dans l'air de cette pièce,
vous ne remarquez pas chaque atome.

Une configuration à faible entropie

signifie que seuls quelques arrangements
peuvent donner ce résultat.

Une entropie élevée signifie

que de nombreux arrangements
peuvent donner ce résultat.

C'est une idée capitale,

car elle nous aide à expliquer
la seconde loi de la thermodynamique,

la loi qui stipule que l'entropie
augmente dans l'Univers,

ou dans une portion isolée de l'Univers.

La raison derrière cette augmentation
est qu'il existe bien plus de façons

d'avoir une entropie élevée
qu'une entropie faible.

C'est une idée merveilleuse,
mais il manque quelque chose.

Au fait, cette idée que
l'entropie augmente,

est à la base de ce que nous appelons
« la flèche du temps »,

la différence entre le passé et le futur.

Chaque différence existant
entre le passé et le futur

est due à l'augmentation de l'entropie.

Le fait qu'il soit possible de se souvenir
du passé, mais pas du futur.

Le fait que vous naissiez,
que vous viviez,

et qu'ensuite vous mouriez,
toujours dans cet ordre,

est dû à l'augmentation de l'entropie.

Boltzmann a expliqué qu'en commençant
avec une entropie faible,

il est naturel qu'elle augmente

car il est plus facile
d'avoir une entropie élevée.

Ce qu'il n'a pas expliqué, c'est pourquoi
l'entropie était faible en premier lieu.

Le fait que l'entropie était faible
dans l'Univers,

reflète le fait que l'Univers primitif
était très homogène,

nous voulons le comprendre,
c'est notre travail de cosmologue.

Malheureusement, ce n'est pas un problème
sur lequel nous avons assez travaillé.

Ce n'est pas l'un des premiers sujets
qu'un cosmologue évoquerait

à la question de savoir
quels problèmes nous concernent.

L'une des personnes qui a compris que
c'était un problème est Richard Feynman.

Il y a 50 ans, il a donné
une série de conférences,

vous en avez entendu parler,

des conférences populaires recueillies
dans « La Nature de la Physique »,

il a donné des cours
de premier cycle à Caltech :

« Le Cours de Physique de Feynman »,

et des cours de second cycle,
« Leçons sur la Gravitation ».

Dans chacun de ces ouvrages,
de ces recueils de lectures,

il insistait sur cette énigme:

pourquoi l'Univers primitif
avait-il une entropie si faible ?

Il a dit, sans imiter son accent :

« Pour une raison inconnue, l'Univers
avait, à un moment, un contenu énergétique

à entropie très faible, et depuis,
cette entropie augmente.

La flèche du temps ne sera
pas entièrement comprise

tant que les mystères des débuts
de l'histoire de l'Univers

ne seront pas passés de la spéculation
à une compréhension plus profonde. »

Voilà notre travail, nous voulons savoir.

Ceci remonte à 50 ans,
vous pensez sûrement

que nous avons compris depuis.

Ce n'est pas vrai,
nous n'avons pas compris depuis.

En fait, ce problème remonte
à plus de cinquante ans.

Boltzmann avait compris
que c'était un problème,

et il a proposé une solution.

Avant de m'y attarder,

je dirai que ce qui a empiré le problème,
au lieu de l'améliorer,

est qu'en 1998, nous avons appris
une chose cruciale sur l'Univers,

que nous ignorions auparavant.

Nous avons appris qu'il accélérait.

L'Univers n'est pas seulement
en expansion.

Observez cette galaxie, elle s'éloigne,

revenez un milliard d'années après,
observez-la de nouveau,

elle s'éloignera plus vite.

Chaque galaxie s'éloigne de nous,
de plus en plus vite,

nous disons donc que l'Univers accélère.

A l'inverse du problème
de la faible entropie des débuts,

même si nous ignorons la solution,
nous avons au moins une bonne théorie

qui pourrait l'expliquer
si elle s'avère vraie,

c'est la théorie de l'énergie sombre.

C'est l'idée que l'espace vide
lui-même contient de l'énergie,

et que chaque centimètre cube d'espace,

qu'il soit vide ou non,

qu'on y trouve particules,
matière, radiations, ou autres,

contient de l'énergie,
même dans l'espace lui-même.

Cette énergie, selon Einstein,
exerce une poussée sur l'Univers,

une impulsion perpétuelle qui éloigne
les galaxies les unes des autres.

Car l'énergie sombre, contrairement
au rayonnement de la matière,

ne se dilue pas
dans l'expansion de l'Univers.

La quantité d'énergie
dans chaque centimètre cube ne varie pas,

même si l'Univers devient
de plus en plus grand.

Ceci a des implications cruciales
sur ce que l'Univers fera dans le futur.

Cela signifie que l'expansion
de l'Univers sera sans fin.

Quand j'avais votre âge,

nous ne savions pas
ce que l'Univers allait devenir,

certains disaient qu'il allait
s'effondrer à nouveau,

Einstein aimait beaucoup cette idée.

Mais si l'énergie sombre existe,
et qu'elle ne disparaît pas,

l'expansion de l'Univers
se poursuivra indéfiniment.

Il y a 14 milliards d'années,
cent milliards d'années chien,

mais un temps infini dans le futur.

Cela dit, à tous égards,
l'espace nous semble fini.

Que l'espace soit fini ou infini,

en raison de l'accélération de l'Univers,

il en existe des recoins
que nous ne pourrons jamais voir.

Nous n'avons accès
qu'à une région finie de l'espace,

entourée d'un horizon,

donc même si le temps dure éternellement,
l'espace est limité pour nous.

Pour finir, l'espace vide
a une température.

Dans les années 70, Stephen Hawking
nous a appris qu'un trou noir,

même si on pense qu'il est noir,
émet en fait une radiation

quand on prend en compte
la mécanique quantique.

La courbe de l'espace-temps
autour du trou noir

fait apparaître la fluctuation quantique
qui fait que le trou noir rayonne.

Un calcul strictement identique
de Hawking et Gary Gibbens

montre que s'il y a de l'énergie sombre
dans l'espace vide,

alors l'Univers entier rayonne.

L'énergie de l'espace vide fait apparaître
les fluctuations quantiques,

donc, bien que l'Univers
ne connaîtra pas de fin,

et que le rayonnement de la matière
ordinaire va se diluer,

il y aura toujours du rayonnement,
et des fluctuations thermiques,

même dans l'espace vide.

Cela veut dire que l'Univers s'apparente
à une boîte de gaz qui dure éternellement.

Quelles en sont les implications ?

Boltzmann a étudié
cette implication au XIXe siècle.

Selon lui, l'entropie augmente
car il y a bien plus de manières

pour l'Univers d'avoir une entropie élevée
qu'une entropie faible.

Mais c'est une conclusion probabiliste.

L'entropie va probablement augmenter,

cette probabilité est extrêmement élevée,

vous n'avez pas à vous en inquiéter.

L'air de cette pièce qui se condense
dans une partie de la pièce,

nous menant à l'asphyxie,
c'est très, très peu probable.

A moins qu'on nous enferme ici
littéralement pour l'éternité,

dans ce cas, cela se produirait.

Tout ce que la physique permet,

chaque configuration imaginable
pour les molécules de cette pièce,

serait à terme réalisée.

Boltzmann dit, on peut commencer
avec un Univers en équilibre thermique,

il ne savait rien du Big Bang
ou de l'expansion de l'Univers,

il pensait que l'espace et le temps
étaient expliqués par Isaac Newton,

qu'ils étaient absolus,
figés pour l'éternité.

Son idée de l'Univers naturel
impliquait que les molécules d'air

étaient réparties équitablement partout,
qu'il n'y avait que des molécules.

Mais si vous êtes Boltzmann,
vous savez qu'en étant patient,

les fluctuations aléatoires
de ces molécules

produira parfois une configuration
à basse énergie et entropie faible.

Puis bien sûr, cela revient
ensuite à la normale..

L'entropie n'est pas condamnée
à augmenter en permanence,

on peut avoir des fluctuations
vers une entropie plus faible,

des situations plus organisées.

Boltzmann a ensuite proposé
deux idées qui paraissent très modernes,

le multivers et le principe anthropique.

Selon lui, l'équilibre thermique
ne permet pas la vie.

Rappelez-vous, la vie elle-même
dépend de la flèche du temps.

Nous ne pourrions pas
traiter l'information, métaboliser,

marcher et parler si nous vivions
dans un équilibre thermique.

Donc, en imaginant un Univers très vaste,
un Univers infiniment vaste,

avec des particules
qui s'entrechoquent aléatoirement,

il y a parfois de légères
diminutions d'entropie,

puis ça revient à la normale.

Mais il y aura aussi
d'importantes fluctuations,

parfois une planète sera créée,
voire une étoile, une galaxie

ou cent milliards de galaxies.

Donc selon Boltzmann, nous ne pouvons
vivre que dans la partie du multivers

qui contient un ensemble infiniment
grand de particules fluctuantes,

où la vie est possible, il s'agit là
de la région où l'entropie est faible,

notre Univers n'est peut-être qu'une chose
qui se produit, de temps en temps.

Maintenant, votre devoir maison
est d'y réfléchir,

de réfléchir à ce que cela signifie.

Une célèbre citation de Carl Sagan
dit que, pour faire une tarte aux pommes,

vous devez d'abord créer l'Univers.

Mais il avait tort.

Selon le scénario de Boltzmann,
pour faire une tarte aux pommes,

attendez que le mouvement aléatoire
des atomes crée une tarte aux pommes.

(Rires)

Ceci se produira bien plus fréquemment

que le mouvement aléatoire des atomes
qui créerait un verger de pommiers,

le sucre, un four et qui enfin
créerait une tarte aux pommes.

Ce scénario crée donc des prédictions,
et ces prédictions sont

que les fluctuations qui
nous engendrent sont minimales.

Même en imaginant que la pièce
où nous sommes existe réellement,

que nous y soyons et que nous ayons
non seulement nos souvenirs,

mais aussi notre impression que dehors,
il existe une chose appelée Caltech,

les États-Unis, et la Voie lactée.

Il est plus aisé pour ces impressions de
fluctuer aléatoirement dans votre cerveau

que de vraiment fluctuer et créer
aléatoirement Caltech,

Les États-Unis et la galaxie.

La bonne nouvelle est donc
que ce scénario ne marche pas,

il ne tient pas.

Ce scénario prédit que nous devrions
être en fluctuation minimale,

même en oubliant notre galaxie,

on n'obtiendrait pas une centaine
de milliards d'autres galaxies.

Feynman l'avait compris, et je le cite:

« Partant de l'hypothèse
que le monde est une fluctuation,

les prédictions disent que si on observe

une région du monde
jamais vue auparavant,

on la verra déconstruite,
différente ce qu'on vient de voir. »

Entropie élevée.

« Si l'ordre était dû à une fluctuation,
on ne l'attendrait nulle part,

sauf là où on vient de le voir.

On en conclue donc que l'Univers
n'est pas une fluctuation. »

Très bien. La question est alors :
quelle est la bonne réponse ?

Si l'Univers n'est pas une fluctuation,
pourquoi une entropie faible au début ?

J'adorerais vous apporter la réponse,
mais je manque de temps.

(Rires)

Voici l'Univers dont nous vous parlons

confronté à l'Univers
qui existe réellement.

Je viens de vous montrer cette image,

l'Univers s'étend depuis environ
dix milliards d'années, il refroidit.

Mais nous en savons assez sur le futur
de l'Univers pour en dire bien plus.

Si l'énergie sombre reste
dans les environs,

les étoiles alentour useront tout
leur carburant nucléaire, s'éteindront,

et se transformeront en trous noirs.

Nous vivrons dans un Univers
uniquement constitué de trous noirs.

L'Univers durera 10 puissance 100 années,

bien plus longtemps que l'âge
de notre petit Univers.

Le futur est bien plus long que le passé.

Mais les trous noirs aussi ont
une vie limitée, ils s'évaporeront,

il ne nous restera plus
que de l'espace vide.

Cet espace vide est éternel par principe.

Cependant, remarquez qu'en raison
du rayonnement de l'espace vide,

il y existe des fluctuations thermiques
et il passe par toutes

les combinaisons possibles
des degrés de liberté

qui existent dans l'espace vide.

Donc bien que l'Univers soit éternel,

il n'y a qu'un nombre fini
d'évènements qui puissent s'y produire,

se produisant tous sur une période
de 10 exposant 10 exposant 120 années.

Voici donc deux questions pour vous :

premièrement, si l'Univers dure
10 exposant 10 exposant 120 années,

pourquoi sommes-nous nés
lors de ses 14 premiers milliards d'années

dans la chaleur et le confort
de l'après-Big Bang ?

Pourquoi ne sommes-nous pas
dans l'espace vide ?

Vous direz, il n'y a rien qui y favorise
la vie, mais vous aurez tort.

Vous pourriez être une fluctuation
aléatoire sortie du néant.

Pourquoi n'est-ce pas le cas ?

Encore un devoir maison pour vous.

Ainsi, comme je le disait,
je ne connais pas la réponse,

je vais vous faire part
de mon scénario préféré :

soit c'est juste comme ça,
et il n'y a pas d'explication,

c'est un fait brut sur l'Univers
qu'il nous faut accepter,

alors arrêter de poser des questions.

Ou peut-être que le Big Bang
n'est pas le commencement de l'Univers.

Un œuf intact est dans une configuration
à faible entropie

mais en ouvrant le réfrigérateur
nous ne disons pas :

« Quelle surprise que cette configuration
à faible entropie dans le réfrigérateur. »

C'est parce qu'un œuf
n'est pas un système fermé.

Un œuf sort d'une poule.

L'Univers sort peut-être
d'une poule Universelle.

(Rires)

Il y a peut-être une chose naturelle qui,

avec la croissance des lois physiques,

donne naissance à un Univers comme
le nôtre, avec une entropie faible.

Si c'était vrai, cela arriverait
plus d'une fois,

nous ferions partie
d'un multivers bien plus vaste.

C'est mon scénario préféré.

Les organisateurs m'ont demandé de finir
sur une spéculation audacieuse.

La voici donc : l'histoire
me donnera complètement raison

et d'ici 50 ans, toutes mes idées folles
seront reconnues comme des vérités

par les communautés
scientifiques et autres,

qui croiront toutes
que notre petit Univers

est une petite partie
d'un multivers bien plus vaste,

et encore mieux, nous comprendrons
ce qui s'est passé lors du Big Bang

grâce à une théorie que nous pourrons
confronter à nos observations.

C'est une prédiction, je peux me tromper,
mais nous avons réfléchi,

nous, la race humaine,
à ce à quoi ressemblait l'Univers,

pourquoi il est tel qu'il est,
après toutes ces années.

Il est grisant d'imaginer
que l'on aura peut-être la réponse un jour.

Merci

(Applaudissements)