Brian Greene : Notre univers est-il le seul univers ?

Au cœur de la cosmologie moderne se cache un mystère : pourquoi notre univers semble-t-il si parfaitement réglé pour créer les conditions nécessaires à la vie ? Dans cet aperçu magistral de certaines des plus grandes découvertes scientifiques récentes, Brian Greene nous montre comment l’idée extraordinaire d’un multivers pourrait contenir la réponse à cette énigme.

Il y a quelques mois

le Prix Nobel de physique a été décerné

à deux équipes d'astronomes

pour une découverte qui a été reconnue

comme l'une des observations astronomiques

les plus importantes de tous les temps.

Et aujourd'hui, après avoir décrit brièvement ce qu'ils ont découvert,

je vais vous parler d'une théorie très controversée

qui explique leur découverte,

c'est-à-dire la possibilité

que bien au-delà de la Terre,

de la Voie Lactée et d'autres galaxies éloignées,

il se pourrait que notre univers

ne soit pas le seul univers,

mais fasse en fait

partie d'un ensemble d'univers

que nous appelons le multivers.

L'idée d'un multivers est étrange.

La plupart d'entre nous avons grandi en croyant

que le mot « univers » veut tout dire.

En disant la plupart d'entre nous je suis prévoyant,

puisque ma fille de 4 ans m'entend parler de ça depuis qu'elle est née.

L'année dernière je la tenais dans mes bras

et je lui ai dit, « Sophia,

je t'aime plus que tout dans l'univers. »

Elle s'est retournée et m'a dit, « Papa,

univers ou multivers ? »

(Rires)

Mais mis à part cette éducation anormale,

il est bizarre d’imaginer

d’autres mondes différents du nôtre,

avec des caractéristiques fondamentalement différentes,

qu'on pourrait à juste titre appeler des univers à part entière.

Cependant,

bien que l’idée soit certainement spéculative,

je veux vous convaincre

qu’il y a une raison pour la prendre au sérieux

puisque ça pourrait être vrai.

Je vais vous raconter l’histoire du multivers en trois parties.

Dans la première partie,

je vais vous décrire les résultats des lauréats du Prix Nobel

pour mettre en évidence un mystère profond

que ces résultats ont dévoilé.

Dans la deuxième partie,

je vais vous proposer une solution à ce mystère.

Elle se base sur une approche appelée la théorie des cordes,

et c'est là que l’idée du multivers

entre dans l’histoire.

Enfin, dans la troisième partie,

je vais vous décrire une théorie cosmologique

appelée inflation,

qui va rassembler toutes les pièces de l’histoire.

Ok, la première partie remonte à 1929

quand le grand astronome Edwin Hubble

s'est rendu compte que les galaxies lointaines

s’éloignaient toutes de nous,

en établissant que l'espace même s'étire,

il est en extension,

C’était révolutionnaire.

La sagesse prédominante était que sur la plus grande échelle

l’univers était statique.

Et pourtant

il y avait une chose dont on était tous certain :

l’expansion doit être en train de ralentir.

Que tout comme la force de gravité de la Terre

ralentit la montée d'une pomme lancée en l'air,

la force de gravité

d’une galaxie sur toutes les autres

doit ralentir

l'expansion de l'espace.

Avançons rapidement aux années 90

quand ces deux équipes d' astronomes

que j'ai citées au début

ont été inspirées par ce raisonnement

pour mesurer le taux

auquel l'expansion ralentit.

Et elles l'ont fait

en suivant des observations minutieuses

de nombreuses galaxies lointaines,

qui leur ont permis de représenter

comment le taux d'expansion a changé dans le temps.

Voilà la surprise :

Ils ont découvert que l'expansion ne ralentit pas.

Par contre ils ont découvert qu'elle accélère,

de plus en plus.

C'est un peu si vous lancez une pomme en l'air

et qu'elle accélère de plus en plus.

Si vous voyez une pomme faire ça,

vous voudriez savoir pourquoi.

Qu'est-ce qui la pousse ?

De même, les résultats des astronomes

méritent sûrement le prix Nobel,

mais ils ont soulevé une question analogue..

Quelle force pousse les galaxies

à s'éloigner les unes des autres

à une vitesse croissante ?

La réponse la plus prometteuse

nous vient d'une vieille idée d'Einstein.

Nous sommes tous habitués à la gravité

comme étant une force qui ne fait qu'une chose,

elle fait attirer les objets entre eux.

Mais dans la théorie de la gravité d'Einstein,

sa théorie générale de la relativité,

la gravité peut également faire s'éloigner les choses entre elles.

Comment ? Selon les calculs d’Einstein,

si l'espace est uniformément rempli

d'une énergie invisible,

comme une sorte de brouillard uniforme et invisible,

alors la gravité générée par ce brouillard

serait répulsive,

une gravité répulsive,

qui est pile ce dont nous avons besoin pour expliquer les observations.

Parce que la gravité répulsive

d'une énergie invisible dans l'espace --

nous l'appelons maintenant énergie sombre,

mais ici je l'ai représentée par une fumée blanche pour que vous puissiez la voir,

sa gravité répulsive

entrainerait chaque galaxie à se repousser les unes des autres,

en poussant l'expansion à accélérer,

pas à ralentir.

Et cette explication

représente un grand progrès.

Mais je vous ai promis un mystère

dans cette première partie.

Le voilà.

Quand les astronomes ont découvert

la quantité d’énergie sombre

contenue dans l’espace

responsable de l’accélération cosmique,

regardez ce qu’ils ont découvert.

Le chiffre est petit.

exprimé dans l'unité appropriée,

c’est spectaculairement petit.

Et le mystère c’est expliquer ce chiffre aussi petit.

Nous voulons que ce chiffre

ressorte des lois de la physique,

mais jusque là personne n’a trouvé le moyen de le faire.

Vous vous demandez peut-être,

si c’est important.

Peut-être qu’expliquer ce chiffre

n'est qu'une question technique,

un détail technique qui n’intéresse que les experts,

sans importance pour n’importe qui d’autre.

C’est sûrement un détail technique,

mais certains détails sont importants.

Certains détails fournissent

des ouvertures sur des domaines inexplorés de la réalité,

et ce chiffre particulier pourrait justement faire ça,

puisque la seule approche utilisée jusqu’à aujourd’hui pour l’expliquer

invoque la possibilité de l’existence d’autres univers --

une idée qui ressort directement de la théorie des cordes,

ce qui m’amène à la deuxième partie : la théorie des cordes.

Gardez donc à l’esprit

le mystère de l’énergie sombre

pendant que je vous raconte

trois points clé sur la théorie des cordes.

Tout d’abord, qu’est-ce que c’est ?

C’est une approche pour réaliser le rêve d’Einstein

d’une théorie unifiée de la physique,

une structure globale unique

qui serait en mesure de décrire

toutes les forces de l’univers.

Et l’idée centrale de la théorie des cordes

est assez simple.

Elle dit que si vous examinez de plus en plus près

n’importe quel morceau de matière,

au début vous trouverez des molécules

et ensuite vous trouverez des atomes et des particules subatomiques.

Mais la théorie dit que si vous pouviez aller encore plus loin,

bien plus loin que ce que nous pouvons faire avec la technologie actuelle,

vous trouveriez autre chose dans ces particules :

un minuscule filament d’énergie qui vibre,

une minuscule corde qui vibre.

Et tout comme les cordes d’un violon,

elles peuvent vibrer selon des modèles différents

en produisant des notes différentes.

Ces petites cordes fondamentales,

en vibrant selon différents modèles,

produisent différents types de particules --

des électrons, des quarks, des neutrinos, des photons,

et toutes les autres particules

se retrouveraient unies dans une seule structure,

puisqu'elles seraient toutes issues de la vibration des cordes.

C’est un cadre convaincant,

une sorte de symphonie cosmique,

où toute la richesse

que nous voyons dans le monde qui nous entoure

émerge de la musique

que ces petites cordes minuscules peuvent jouer.

Mais cette unification élégante

a un coût,

parce que des années de recherche

ont montré que les mathématiques de la théorie des cordes ne marchent pas vraiment.

Il y a des contradictions internes,

à moins que nous n’acceptions

quelque chose de totalement inhabituel --

d’autres dimensions de l’espace.

Nous connaissons tous les trois dimensions de l’espace.

Et vous pouvez les voir comme

hauteur, largeur et profondeur.

Mais la théorie des cordes dit que, à des échelles extraordinairement petites,

il y a d’autres dimensions

écrasées à une taille si minuscule

que nous ne les avons pas détectées.

Mais même si les dimensions sont cachées,

elles auraient un impact sur les choses que nous observons

parce que la forme des dimensions supplémentaires

détermine la manière dont les cordes vibrent.

Et dans la théorie des cordes,

la vibration détermine tout.

La masse des particules, la puissance des forces,

et surtout, la quantité d’énergie sombre

seraient déterminées

par la forme des dimensions supplémentaires.

Si nous connaissions la forme de ces autres dimensions,

nous serions capables de calculer ces éléments,

de calculer la quantité d’énergie sombre.

La difficulté

vient du fait que nous ne connaissons pas

la forme de ces autres dimensions.

Tout ce que nous avons

c’est une liste de formes possibles

basées sur les maths.

Quand ces idées ont été développées,

il y avait seulement cinq formes possibles,

vous pouvez donc imaginez

de les analyser une par une

pour déterminer si l’une d’entre elles nous donne

les caractéristiques physiques que nous observons.

Mais au fil du temps la liste s’est allongée

et les chercheurs ont trouvé d’autres formes potentielles.

De cinq, nous sommes passés à des centaines et ensuite à des milliers --

Une grande collection à analyser, mais encore maitrisable,

puisque après tout,

les étudiants doivent trouver quelque chose à faire.

Mais ensuite la liste s'est encore allongée

à des millions et des milliards, jusqu’à aujourd’hui.

La liste de formes potentielles

a atteint le chiffre de 10 à la puissance 500.

Alors, que faire ?

Certains chercheurs ont perdu courage,

en concluant qu’il y avait tellement de formes possibles pour les dimensions supplémentaires,

chacune donnant lieu à des caractéristiques physiques différentes,

que la théorie des cordes ne pourrait jamais

faire de prédictions décisives et vérifiables.

Mais d’autres ont vu le problème différemment,

en nous amenant à la possibilité d’un multivers.

Voilà l’idée.

Peut-être que chacune de ces formes est au même niveau que les toutes autres.

Elles sont toutes réelles,

dans le sens où

il y a beaucoup d’univers,

chacun avec une forme différente, pour les dimensions supplémentaires.

Et cette proposition radicale

a un impact profond sur ce mystère :

la quantité d’énergie sombre révélée par les résultats des lauréats du prix Nobel.

Parce que voyez-vous,

s’il existe d’autres univers,

et si ces univers

ont chacun, disons, une forme différente pour les dimensions supplémentaires,

alors les caractéristiques physiques de chaque univers seront différentes,

et surtout,

la quantité d’énergie sombre dans chaque univers

sera différente.

Ce qui signifie que le mystère

qui explique la quantité d’énergie sombre que nous avons mesurée

prend un caractère complètement différent.

Dans ce contexte,

les lois de la physique ne peuvent pas expliquer un seul chiffre pour l’énergie sombre

parce qu’il y a n’y a pas un seul chiffre,

il y a beaucoup de chiffres.

Ce qui signifie

que nous nous sommes posé la mauvaise question.

Et la bonne question à poser est,

pourquoi nous les humains sommes dans un univers

avec une certaine quantité d’énergie sombre que nous avons mesurée

au lieu de n’importe quelle autre possibilité

disponible ?

Et voilà la question qui nous permettra d’avancer.

Parce que dans ces univers

qui ont beaucoup plus d’énergie sombre que le nôtre,

chaque fois que la matière essaye de se regrouper en galaxies,

la force répulsive de la matière sombre est tellement forte

qu’elle disperse ce qui se rassemble

et les galaxies ne se forment pas

Et dans ces univers qui ont beaucoup moins d’énergie sombre,

ils s’effondrent sur eux-mêmes si rapidement

qu'encore une fois les galaxies ne se forment pas

Et sans galaxies, il n’y a pas d’étoiles, pas de planètes

et aucune chance

que notre forme de vie

existe dans ces autres univers.

Nous nous trouvons donc dans un univers

avec une certaine quantité d’énergie sombre que nous avons mesurée

simplement parce que notre univers a des conditions

favorables à notre forme de vie.

Et tout est là.

Mystère résolu,

multivers trouvé.

Certains trouvent cette explication insatisfaisante.

Nous sommes habitués à une physique

qui nous donne des explications définitives pour ce que nous observons.

Mais le problème est que,

si la caractéristique que nous observons

peut et doit prendre

un grand nombre de valeurs

dans tout le vaste paysage de la réalité,

alors penser à une explication

pour une valeur particulière

est tout simplement malavisé.

Un premier exemple

nous vient du grand astronome Kepler

qui était obsédé par la compréhension

d’un autre chiffre --

pourquoi le Soleil se trouve à 150 millions de km de la Terre.

Il a travaillé pendant des décennies pour expliquer ce chiffre,

mais sans succès, et nous savons pourquoi.

Kepler se posait

la mauvaise question.

Nous savons maintenant qu’il y a beaucoup de planètes

à différentes distances de leurs étoiles hôtes.

Espérer que les lois de la physique

expliquent un chiffre en particulier, 150 millions de km,

c’est tout simplement faire fausse route.

La bonne question à poser est plutôt,

pourquoi nous les humains nous trouvons-nous sur une planète

à cette distance précise,

au lieu d’une autre ?

Encore une fois, c’est une question à laquelle nous pouvons répondre.

Ces planètes qui sont plus proches d’une étoile comme le Soleil

seraient tellement chaudes

que notre forme de vie n’existerait pas.

Et ces planètes qui sont beaucoup plus éloignées de l’étoile,

seraient tellement froides

que notre forme de vie ne pourrait pas se développer.

Nous nous trouvons donc

sur une planète à une distance précise

simplement parce qu’elle fournit les conditions

essentielles à notre forme de vie.

Et quand il s’agit des planètes et de leurs distances,

c’est manifestement le bon raisonnement.

Le fait est que

quand il s’agit d’univers et de l’énergie sombre qu’ils contiennent,

ce pourrait être aussi le bon raisonnement.

Une différence clé, bien sûr,

c’est que nous savons qu’il existe d’autres planètes,

mais jusqu’ici j’ai juste supposé

qu’il puisse y avoir d’autres univers.

Donc, pour tout mettre ensemble

il nous faut un mécanisme

qui puisse vraiment créer d’autres univers.

Et cela m’amène à la dernière partie, la troisième partie.

Parce que les cosmologistes ont trouvé

un tel mécanisme en essayant de comprendre le Big Bang.

Quand nous parlons du Big Bang,

nous en avons souvent une image

d’une sorte d’explosion cosmique

qui a créé notre univers

en déclenchant l’expansion.

Mais il y a un petit secret.

Le Big Bang ne prend pas en compte une chose très importante,

le Bang.

Il nous dit comment l’univers a évolué après le Bang,

mais ne nous donne aucune idée

de ce qui a déclenché le Bang même.

Et cette lacune a finalement été comblée

par une version améliorée de la théorie du Big Bang.

Elle s’appelle l'inflation cosmique,

ce qui a identifié un certain type de combustible

qui produit naturellement

une expansion de l’espace.

Le combustible est basé sur ce qui s’appelle un champ quantique,

mais le seul détail qui compte pour nous

c’est que ce combustible est tellement efficace

qu’il est virtuellement impossible

de tout l’utiliser,

ce qui signifie dans la théorie de l’inflation,

que le Big Bang qui a donné naissance à notre univers

n’est tout probablement pas un évènement isolé.

Au contraire, le combustible a non seulement créé notre univers,

mais il a aussi généré d’innombrables Big Bang,

chacun donnant naissance à son propre univers séparé

et notre univers ne serait qu’une bulle

dans un gros bain de bulles d’univers.

Et maintenant, en mélangeant ceci avec la théorie des cordes,

voici où cela nous mène.

Chaque univers a d’autres dimensions.

Les dimensions supplémentaires ont une grande variété de formes.

Les différentes formes produisent des caractéristiques différentes.

Et nous nous retrouvons dans un univers plutôt que dans un autre

simplement parce que seul notre univers

a les caractéristiques physiques, comme la quantité d’énergie sombre,

qui conviennent pour que notre forme de vie s’installe.

Et c’est donc l’image fascinante mais très controversée

d’un cosmos plus vaste

que ces observations et théories de pointe

nous ont amenés à considérer sérieusement.

Il reste une dernière grande question :

Pourrons-nous un jour confirmer

l’existence d’autres univers ?

Laissez-moi vous décrire

une façon dont cela pourrait arriver un jour.

La théorie de l’inflation

s'appuie déjà sur de solides observations.

Parce que la théorie prévoit

que le Big Bang a été tellement fort

que pendant que l’espace s'étendait rapidement,

de minuscules sursauts quantiques du micromonde

se seraient étirés vers le macromonde,

en produisant une empreinte distinctive,

un modèle avec des endroits un peu plus chauds et un peu plus froids,

dans tout l’espace,

que les télescopes puissants ont maintenant observé.

En allant plus loin, s’il y a d’autres univers,

la théorie prévoit que de temps en temps

ces univers peuvent entrer en collision.

Et si notre univers en heurte un autre,

cette collision

provoque un autre modèle subtil

de variations de température dans tout l’espace

que nous pourrions un jour

détecter.

Et pour autant que cette image puisse paraitre farfelue,

elle pourrait un jour se fonder

sur des observations,

établissant l’existence d’autres univers.

Je terminerai

par une implication frappante

de toutes ces idées

pour l'avenir très lointain.

Vous voyez, nous avons appris

que notre univers n’est pas statique,

que l’espace est en expansion,

que cette expansion accélère

et qu’il pourrait y avoir d’autres univers

tout cela en examinant attentivement

de faibles points de lumière d'étoiles

qui nous arrivent de galaxies lointaines.

Mais puisque cette expansion accélère,

dans un avenir très lointain,

ces galaxies s’éloigneront tellement, et tellement vite

que nous ne pourrons plus les voir --

non pas à cause de limitations technologiques,

mais à cause des lois de la physique.

La lumière émise par ces galaxies,

même en voyageant à la grande vitesse, la vitesse de la lumière,

ne pourra pas surmonter

le fossé sans cesse grandissant entre nous.

Les astronomes dans un avenir lointain

qui observeront le fin-fond de l’espace

ne verront qu’une étendue infinie

d’immobilité statique, sombre, noire.

Et ils en concluront

que l’univers est statique et immuable

et peuplé d’une seul oasis centrale de matière

qu’ils habitent --

une image de l’univers

que nous savons être absolument fausse.

Peut-être que ces futurs astronomes auront des archives

transmises depuis époque précédente,

comme la nôtre,

attestant d'un univers en expansion

grouillant de galaxies.

Mais est-ce que ces futurs astronomes

croiront à ces anciennes connaissances ?

Ou croiront-ils

en un univers noir, vide, statique

que leurs observations ultra-modernes révèleront ?

Je penche pour cette dernière solution.

Ce qui signifie que nous vivons

dans une époque remarquablement privilégiée

où certaines vérités profondes sur le cosmos

sont encore à portée

de l’esprit humain d’exploration.

Il semble que ça pourrait ne pas être toujours le cas.

Parce que les astronomes d’aujourd’hui,

en dirigeant les télescopes puissants vers le ciel,

ont capturé une poignée de photons absolument riches en informations --

une espèce de télégramme cosmique

des milliards d’année en transit.

Et le message qui résonne à travers les siècles est clair.

Parfois la nature garde ses secrets

avec l'emprise indomptable

des lois physiques.

Parfois la vraie nature de la réalité nous apparait

juste au-delà de l’horizon.

Merci beaucoup.

(Applaudissements)

Chris Anderson : Brian, merci.

L'étendue des idées dont vous avez parlé

est étourdissante, exaltante, incroyable.

Où pensez-vous

que se situe la cosmologie maintenant,

du point de vue historique ?

Selon vous, sommes-nous en plein milieu de quelque chose d’historiquement inhabituel?

BG : Difficile à dire.

Quand nous apprenons que les astronomes d’un avenir lointain

pourraient ne pas avoir assez d’informations pour comprendre les choses,

la question qui vient est, nous sommes peut-être déjà dans cette position

et certaines caractéristiques cruciales et profondes de l’univers

ont déjà échappé à notre capacité de comprendre

à cause de l’évolution cosmologique.

De ce point de vue,

nous nous poserons toujours des questions

auxquelles nous ne pourrons jamais répondre.

D’autre part, nous pouvons maintenant

dater l’univers.

Nous savons

comment interpréter les données du fond diffus cosmologique

qui s’est produit il y a 13,72 milliards d’années --

et pourtant, nous pouvons faire aujourd’hui des calculs qui prévoient son aspect

et ça correspond.

La vache ! C’est stupéfiant.

Donc, d’un côté, c’est incroyable de voir où nous en sommes,

mais qui sait quelles sortes d’obstacles nous pourrons trouver à l’avenir.

CA : Vous serez dans le coin dans les prochains jours.

Peut-être que certaines de ces conversations peuvent se poursuivre.

Merci. Merci, Brian, (BG : Tout le plaisir est pour moi.)

(Applaudissements)