Multivers Niveau II: Inflation Chaotique et Bulles Post-Inflation

Si vous avez trouvé que le multivers de niveau I était vaste et difficile à digérer, essayez d'imaginer un ensemble infini d'univers distincts, certains ayant peut-être une dimensionnalité différente et des constantes physiques différentes. C'est ce qui est prédit par la théorie chaotique de l'inflation, actuellement populaire, et nous la désignerons comme le multivers de niveau II. Ces autres domaines sont plus qu'infiniment éloignés dans le sens où vous n'y arriveriez jamais, même si vous voyagiez à la vitesse de la lumière pour toujours. La raison en est que l'espace entre notre multivers de niveau I et ses voisins subit toujours une inflation, ce qui continue de l'étirer et de créer plus de volume plus vite que vous ne pouvez le traverser. En revanche, vous pourriez voyager vers un univers de niveau I arbitrairement éloigné si vous étiez patient et que l'expansion cosmique décélérait. (Les preuves astronomiques suggèrent que l'expansion cosmique s'accélère actuellement. Si cette accélération continue, même les univers parallèles de niveau I resteront séparés à jamais, l'espace intermédiaire s'étirant plus vite que la lumière ne peut le traverser. Cependant, le jury n'a pas encore tranché, les modèles populaires prédisant que l'univers finira par cesser d'accélérer et peut-être même par se re-contracter.)

Dans les années 1970, le modèle du Big Bang s'était révélé être une explication très réussie de la majeure partie de l'histoire de notre univers. Il avait expliqué comment une boule de feu primordiale s'est étendue et refroidie, a synthétisé l'hélium et d'autres éléments légers pendant les premières minutes, est devenue transparente après 400 000 ans, libérant le rayonnement cosmique de fond micro-onde, et est progressivement devenue plus grumeleuse en raison du regroupement gravitationnel, produisant des galaxies, des étoiles et des planètes. Pourtant, des questions troublantes subsistaient quant à ce qui s'était passé au tout début. Quelque chose est-il apparu à partir de rien ? Où sont toutes les particules super-lourdes connues sous le nom de monopôles magnétiques que la physique des particules prédit devoir être créées au début (le “problème des monopôles”) ? Pourquoi l'espace est-il si grand, si vieux et si plat, alors que les conditions initiales génériques prédisent que la courbure augmente avec le temps et que la densité approche soit zéro, soit l'infini après de l'ordre de 10−42 secondes (le “problème de la platitude”) ? Quelle conspiration a fait que la température du CMB soit presque identique dans des régions de l'espace qui n'ont jamais été en contact causal (le “problème de l'horizon”) ? Quel mécanisme a généré les fluctuations de semences de niveau 10−5 à partir desquelles toute la structure s'est développée ?

Un processus connu sous le nom d'inflation peut résoudre tous ces problèmes d'un seul coup (voir les revues de Guth & Steinhardt 1984 et Linde 1994), et est donc apparu comme la théorie la plus populaire de ce qui s'est passé très tôt. L'inflation est un étirement rapide de l'espace, diluant les monopôles et autres débris, rendant l'espace plat et uniforme comme la surface d'un ballon en expansion, et étirant les fluctuations quantiques du vide en fluctuations de densité macroscopiquement grandes qui peuvent ensemencer la formation des galaxies. Depuis sa création, l'inflation a passé des tests supplémentaires : les observations du CMB ont révélé que l'espace est extrêmement plat et ont mesuré que les fluctuations de semences ont un spectre approximativement invariant d'échelle sans composante substantielle d'ondes gravitationnelles, le tout en parfait accord avec les prédictions inflationnistes.

L'inflation est un phénomène général qui se produit dans une large classe de théories des particules élémentaires. Dans le modèle populaire connu sous le nom d'inflation chaotique, l'inflation se termine dans certaines régions de l'espace, permettant la vie telle que nous la connaissons, tandis que les fluctuations quantiques font que d'autres régions de l'espace s'étendent encore plus rapidement. Essentiellement, une bulle inflationnaire fait germer d'autres bulles inflationnaires, qui à leur tour en produisent d'autres dans une réaction en chaîne sans fin. Les bulles où l'inflation s'est terminée sont les éléments du multivers de niveau II. Chaque bulle de ce type est de taille infinie (Étonnamment, il a été démontré que l'inflation peut produire un multivers de niveau I infini même dans une bulle de volume spatial fini, grâce à un effet par lequel les directions spatiales de l'espace-temps se courbent vers la direction temporelle (infinie) (Bucher & Spergel 1999).), pourtant il y a infiniment beaucoup de bulles puisque la réaction en chaîne ne se termine jamais. En effet, si cette croissance exponentielle du nombre de bulles se poursuit depuis toujours, il y aura une infinité innombrable de tels univers parallèles (la même infinité que celle attribuée à l'ensemble des nombres réels, par exemple, qui est plus grande que celle de l'ensemble [infiniment dénombrable] des entiers). Dans ce cas, il n'y a pas non plus de commencement du temps et pas de Big Bang absolu : il y a, il y avait et il y aura toujours un nombre infini de bulles inflationnaires et de régions post-inflationnaires comme celle que nous habitons, formant un motif fractal.

L'opinion dominante est que la physique que nous observons aujourd'hui n'est qu'une limite de basse énergie d'une théorie beaucoup plus symétrique qui se manifeste à des températures extrêmement élevées. Cette théorie fondamentale sous-jacente peut être à 11 dimensions, supersymétrique et impliquant une grande unification des quatre forces fondamentales de la nature. Une caractéristique commune de ces théories est que l'énergie potentielle du ou des champs qui entraînent l'inflation a plusieurs minima différents (parfois appelés “états de vide”), correspondant à différentes manières de briser cette symétrie et, par conséquent, à une physique différente à basse énergie. Par exemple, toutes les dimensions spatiales sauf trois pourraient être enroulées (“compactifiées”), ce qui donnerait un espace effectivement tridimensionnel comme le nôtre, ou moins pourraient s'enrouler, laissant un espace à 7 dimensions. Les fluctuations quantiques qui entraînent l'inflation chaotique pourraient provoquer une rupture de symétrie différente dans différentes bulles, ce qui ferait que différents membres du multivers de niveau II auraient une dimensionnalité différente. De nombreuses symétries observées dans la physique des particules résultent également de la manière spécifique dont la symétrie est brisée, il pourrait donc y avoir des univers parallèles de niveau II où il y a, par exemple, deux plutôt que trois générations de quarks.

En plus de ces propriétés discrètes telles que la dimensionnalité et les particules fondamentales, notre univers est caractérisé par un ensemble de nombres sans dimension connus sous le nom de constantes physiques. Les exemples incluent le rapport masse électron/proton mp /me ≈ 1836 et la constante cosmologique, qui semble être d'environ 10−123 en unités de Planck. Il existe des modèles où également de tels paramètres continus peuvent varier d'une bulle post-inflationnaire à l'autre. (Bien que les équations fondamentales de la physique soient les mêmes dans tout le multivers de niveau II, les équations effectives approximatives régissant le monde de basse énergie que nous observons différeront. Par exemple, passer d'un espace tridimensionnel à un espace quadridimensionnel (non compactifié) modifie l'équation de la force gravitationnelle observée d'une loi en inverse du carré à une loi en inverse du cube. De même, briser différemment les symétries sous-jacentes de la physique des particules modifiera la gamme des particules élémentaires et les équations effectives qui les décrivent. Cependant, nous réserverons les termes “différentes équations” et “différentes lois de la physique” pour le multivers de niveau IV, où ce sont les équations fondamentales plutôt qu'effectives qui changent.)

Le multivers de niveau II est donc susceptible d'être plus diversifié que le multivers de niveau I, contenant des domaines où non seulement les conditions initiales diffèrent, mais peut-être aussi la dimensionnalité, les particules élémentaires et les constantes physiques diffèrent.

Avant de passer à autre chose, commentons brièvement quelques notions de multivers étroitement liées. Tout d'abord, si un multivers de niveau II peut exister, se reproduisant éternellement selon un motif fractal, alors il pourrait bien y avoir une infinité d'autres multivers de niveau II qui sont complètement déconnectés. Cependant, cette variante semble être impossible à tester, car elle n'ajouterait aucun monde qualitativement différent ni n'altérerait la distribution de probabilité pour leurs propriétés. Toutes les conditions initiales et ruptures de symétrie possibles sont déjà réalisées au sein de chacun.

Une idée proposée par Tolman et Wheeler et récemment élaborée par Steinhardt & Turok (2002) est que le multivers (de niveau I) est cyclique, passant par une série infinie de Big Bangs. S'il existe, l'ensemble de ces incarnations formerait également un multivers, sans doute avec une diversité similaire à celle du niveau II.

Une idée proposée par Smolin (1997) implique un ensemble similaire en diversité à celui du niveau II, mais mutant et faisant germer de nouveaux univers à travers des trous noirs plutôt que pendant l'inflation. Cela prédit une forme de sélection naturelle favorisant les univers avec une production maximale de trous noirs.

Dans les scénarios de mondes branes, un autre monde tridimensionnel pourrait être littéralement parallèle au nôtre, simplement décalé dans une dimension supérieure. Cependant, il n'est pas clair si un tel monde (“brane”) mérite d'être appelé un univers parallèle distinct du nôtre, car nous pouvons interagir avec lui gravitationnellement tout comme nous le faisons avec la matière noire.

Les physiciens n'aiment pas les coïncidences inexpliquées. En effet, ils les interprètent comme la preuve que les modèles sont exclus. Dans la section I C, nous avons vu comment le modèle d'univers ouvert a été exclu avec une confiance de 99,9 % parce qu'il implique que le schéma observé des fluctuations du CMB est extrêmement improbable, une coïncidence d'un sur mille se produisant dans seulement 0,1 % de tous les volumes de Hubble.

Supposons que vous vous enregistriez dans un hôtel, que l'on vous attribue la chambre 1967 et que, surpris, vous constatiez que c'est l'année de votre naissance. Après un moment de réflexion, vous concluez que ce n'est pas si surprenant après tout, étant donné que l'hôtel a de nombreuses chambres et que vous n'auriez pas ces pensées en premier lieu si l'on vous avait attribué une autre chambre. Vous réalisez alors que même si vous ne saviez rien des hôtels, vous auriez pu déduire l'existence d'autres chambres d'hôtel, car s'il n'y avait qu'un seul numéro de chambre dans tout l'univers, vous vous retrouveriez avec une coïncidence inexpliquée.

À titre d'exemple plus pertinent, considérons M, la masse du Soleil. M affecte la luminosité du Soleil, et en utilisant la physique de base, on peut calculer que la vie telle que nous la connaissons sur Terre n'est possible que si M se situe dans la plage étroite de 1,6 × 1030 kg − 2,4 × 1030 kg — sinon le climat de la Terre serait plus froid que sur Mars ou plus chaud que sur Vénus. La valeur mesurée est M ∼ 2,0 × 1030 kg. Cette apparente coïncidence des valeurs habitables et observées de M peut sembler troublante étant donné que les calculs montrent que des étoiles dans la plage de masse beaucoup plus large M ∼ 1029 kg − 1032 kg peuvent exister. Cependant, tout comme dans l'exemple de l'hôtel, nous pouvons expliquer cette apparente coïncidence s'il existe un ensemble et un effet de sélection : s'il existe en fait de nombreux systèmes solaires avec une gamme de tailles de l'étoile centrale et des orbites planétaires, alors nous nous attendons évidemment à nous retrouver vivant dans l'un des habitables.

Plus généralement, l'apparente coïncidence des valeurs habitables et observées d'un paramètre physique peut être considérée comme une preuve de l'existence d'un ensemble plus vaste, dont ce que nous observons n'est qu'un membre parmi beaucoup d'autres (Carter 1973). Bien que l'existence d'autres chambres d'hôtel et systèmes solaires soit incontestable et confirmée par l'observation, celle d'univers parallèles ne l'est pas, car ils ne peuvent pas être observés. Pourtant, si un réglage fin est observé, on peut plaider en faveur de leur existence en utilisant exactement la même logique que ci-dessus. En effet, il existe de nombreux exemples de réglage fin suggérant des univers parallèles avec d'autres constantes physiques, bien que le degré de réglage fin soit toujours en débat actif et devrait être clarifié par des calculs supplémentaires — voir Rees (2002) et Davies (1982) pour des récits populaires et Barrow & Tipler (1986) pour des détails techniques.

Par exemple, si la force électromagnétique était affaiblie d'à peine 4 %, alors le Soleil exploserait immédiatement (le diproton aurait un état lié, ce qui augmenterait la luminosité solaire d'un facteur 1018). Si elle était plus forte, il y aurait moins d'atomes stables. En effet, la plupart, sinon tous, les paramètres affectant la physique de basse énergie semblent être finement réglés à un certain niveau, dans le sens où les modifier de modestes quantités entraîne un univers qualitativement différent.

Si l'interaction faible était considérablement plus faible, il n'y aurait pas d'hydrogène, car il aurait été converti en hélium peu après le Big Bang. Si elle était beaucoup plus forte ou beaucoup plus faible, les neutrinos d'une explosion de supernova ne parviendraient pas à souffler les parties extérieures de l'étoile, et il est douteux que des éléments lourds soutenant la vie puissent jamais quitter les étoiles où ils ont été produits. Si les protons étaient 0,2 % plus lourds, ils se désintégreraient en neutrons incapables de retenir les électrons, il n'y aurait donc pas d'atomes stables. Si le rapport masse proton-électron était beaucoup plus petit, il ne pourrait pas y avoir d'étoiles stables, et s'il était beaucoup plus grand, il ne pourrait pas y avoir de structures ordonnées comme les cristaux et les molécules d'ADN.

Les discussions sur le réglage fin deviennent souvent houleuses lorsque quelqu'un mentionne le “mot en A”, anthropique. L'auteur estime que les discussions sur le soi-disant principe anthropique ont généré plus de chaleur que de lumière, avec de nombreuses définitions et interprétations différentes de ce qu'il signifie. L'auteur n'a connaissance de personne en désaccord avec ce que l'on pourrait appeler MAP, le principe anthropique minimaliste : • MAP : Lors des tests de théories fondamentales avec des données d'observation, ignorer les effets de sélection peut donner des conclusions incorrectes.

Cela ressort clairement de nos exemples ci-dessus : si nous négligions les effets de sélection, nous serions surpris d'orbiter autour d'une étoile aussi lourde que le Soleil, car les étoiles plus légères et moins brillantes sont beaucoup plus abondantes. De même, MAP dit que le modèle d'inflation chaotique n'est pas exclu par le fait que nous nous retrouvons vivant dans la minuscule fraction de l'espace où l'inflation s'est terminée, car la partie inflationnaire est inhabitable pour nous. Heureusement, les effets de sélection ne peuvent pas sauver tous les modèles, comme l'a souligné Boltzmann il y a un siècle. Si l'univers était en équilibre thermique classique (mort thermique), les fluctuations thermiques pourraient encore faire en sorte que les atomes s'assemblent au hasard pour créer brièvement un observateur conscient comme vous une fois tous les trente-six du mois, de sorte que le fait que vous existiez en ce moment n'exclut pas le modèle cosmologique de la mort thermique. Cependant, vous devriez statistiquement vous attendre à trouver le reste du monde dans un chaos à haute entropie plutôt que dans l'état ordonné à basse entropie que vous observez, ce qui exclut ce modèle.

Le modèle standard de la physique des particules a 28 paramètres libres, et la cosmologie peut en introduire d'autres indépendants. Si nous vivons vraiment dans un multivers de niveau II, alors pour ces paramètres qui varient entre les univers parallèles, nous ne serons jamais en mesure de prédire nos valeurs mesurées à partir des premiers principes. Nous pouvons simplement calculer les distributions de probabilité de ce que nous devrions nous attendre à trouver, en tenant compte des effets de sélection. Nous devrions nous attendre à ce que tout ce qui peut varier dans l'ensemble soit aussi générique que compatible avec notre existence. Comme détaillé dans la section V, cette question de ce qui est “générique” et, plus précisément, de la façon de calculer les probabilités en physique, apparaît comme un problème embarrassant et épineux.