Multivers Niveau III: Les Mondes Multiples de la Physique Quantique

Il peut exister un troisième type de mondes parallèles qui ne sont pas éloignés, mais en un sens ici même. Si les équations fondamentales de la physique sont ce que les mathématiciens appellent unitaires, comme elles semblent l'être jusqu'à présent, alors l'univers continue de se ramifier en univers parallèles comme dans la bande dessinée : chaque fois qu'un événement quantique semble avoir un résultat aléatoire, tous les résultats se produisent en fait, un dans chaque branche. C'est le multivers de niveau III. Bien que plus débattu et controversé que les niveaux I et II, nous verrons que, étonnamment, ce niveau n'ajoute aucun nouveau type d'univers.

Au début du XXe siècle, la théorie de la mécanique quantique a révolutionné la physique en expliquant le domaine atomique, avec des applications allant de la chimie aux réactions nucléaires, aux lasers et aux semi-conducteurs. Malgré les succès évidents de son application, un débat passionné s'en est suivi sur son interprétation — un débat qui fait toujours rage. En théorie quantique, l'état de l'univers n'est pas donné en termes classiques tels que les positions et les vitesses de toutes les particules, mais par un objet mathématique appelé fonction d'onde. Selon l'équation dite de Schrödinger, cet état évolue de manière déterministe au fil du temps d'une manière dite unitaire, correspondant à une rotation dans l'espace de Hilbert, l'espace abstrait de dimension infinie où vit la fonction d'onde. Le point sensible est qu'il existe des fonctions d'onde parfaitement légitimes correspondant à des situations classiquement contre-intuitives telles que vous vous trouvant à deux endroits différents à la fois. Pire encore, l'équation de Schrödinger peut faire évoluer des états classiques innocents vers de tels états schizophrènes. Comme exemple baroque, Schrödinger a décrit la célèbre expérience de pensée où un engin désagréable tue un chat si un atome radioactif se désintègre. Puisque l'atome radioactif finit par entrer dans une superposition de désintégré et de non désintégré, il produit un chat qui est à la fois mort et vivant en superposition.

Dans les années 1920, cette étrangeté a été expliquée en postulant que la fonction d'onde s'est “effondrée” dans un certain résultat classique défini chaque fois qu'une observation était faite, avec des probabilités données par la fonction d'onde. Einstein n'était pas satisfait d'un tel caractère aléatoire intrinsèque dans la nature, qui violait l'unitarité, insistant sur le fait que “Dieu ne joue pas aux dés”, et d'autres se sont plaints qu'il n'y avait pas d'équation spécifiant quand cet effondrement se produisait. Dans sa thèse de doctorat de 1957, l'étudiant de Princeton Hugh Everett III a montré que ce postulat d'effondrement controversé était inutile. La théorie quantique prédisait qu'une réalité classique se diviserait progressivement en superpositions de nombreuses réalités. Il a montré que les observateurs vivraient subjectivement cette division simplement comme un léger caractère aléatoire, et en effet avec des probabilités en parfait accord avec celles de l'ancien postulat d'effondrement (de Witt 2003). Cette superposition de mondes classiques est le multivers de niveau III.

Le travail d'Everett avait laissé deux questions cruciales sans réponse : tout d'abord, si le monde contient réellement des macrosuperpositions bizarres, alors pourquoi ne les percevons-nous pas ? La réponse est venue en 1970, lorsque Dieter Zeh a montré que l'équation de Schrödinger elle-même donne naissance à un type d'effet de censure (Zeh 1970). Cet effet est devenu connu sous le nom de décohérence et a été élaboré en détail par Wojciech Zurek, Zeh et d'autres au cours des décennies suivantes. On a constaté que les superpositions quantiques cohérentes ne persistaient que tant qu'elles étaient tenues secrètes du reste du monde. Une seule collision avec un photon indiscret ou une molécule d'air suffit à garantir que nos amis de la figure 5 ne pourront jamais être conscients de leurs homologues dans le scénario parallèle. Une deuxième question sans réponse dans l'image d'Everett était plus subtile mais tout aussi importante : quel mécanisme physique sélectionne des états approximativement classiques (avec chaque objet à un seul endroit, etc.) comme spéciaux dans l'espace de Hilbert d'une complexité déconcertante ? La décohérence a également répondu à cette question, montrant que les états classiques sont simplement ceux qui sont les plus résistants à la décohérence. En résumé, la décohérence identifie à la fois les univers parallèles de niveau III dans l'espace de Hilbert et les délimite les uns des autres. La décohérence est maintenant tout à fait incontroversée et a été mesurée expérimentalement dans un large éventail de circonstances. Puisque la décohérence imite à toutes fins pratiques l'effondrement de la fonction d'onde, elle a éliminé une grande partie de la motivation initiale pour la mécanique quantique non unitaire et a rendu l'interprétation dite des mondes multiples d'Everett de plus en plus populaire. Pour plus de détails sur ces questions quantiques, voir Tegmark & Wheeler (2001) pour un récit populaire et Giulini et al. (1996) pour une revue technique.

Si l'évolution temporelle de la fonction d'onde est unitaire, alors le multivers de niveau III existe, les physiciens ont donc travaillé dur pour tester cette hypothèse cruciale. Jusqu'à présent, aucun écart par rapport à l'unitarité n'a été trouvé. Au cours des dernières décennies, des expériences remarquables ont confirmé l'unitarité pour des systèmes toujours plus grands, y compris l'atome lourd de carbone 60 “Buckey Ball” et les systèmes de fibres optiques de la taille d'un kilomètre. Sur le plan théorique, un argument majeur contre l'unitarité a impliqué la destruction possible d'informations lors de l'évaporation des trous noirs, suggérant que les effets de la gravitation quantique sont non unitaires et effondrent la fonction d'onde. Cependant, une récente percée de la théorie des cordes connue sous le nom de correspondance AdS/CFT a suggéré que même la gravité quantique est unitaire, étant mathématiquement équivalente à une théorie quantique des champs de dimension inférieure sans gravité (Maldacena 2003).

Lorsque nous discutons des univers parallèles, nous devons distinguer deux façons différentes de considérer une théorie physique : la vue extérieure ou la perspective d'oiseau d'un mathématicien étudiant ses équations fondamentales mathématiques et la vue intérieure ou la perspective de grenouille d'un observateur vivant dans le monde décrit par les équations***. Du point de vue de l'oiseau, le multivers de niveau III est simple : il n'y a qu'une seule fonction d'onde, et elle évolue de manière fluide et déterministe au fil du temps sans aucune sorte de division ou de parallélisme. Le monde quantique abstrait décrit par cette fonction d'onde en évolution contient en lui un vaste nombre de scénarios classiques parallèles, se divisant et se fusionnant continuellement, ainsi qu'un certain nombre de phénomènes quantiques qui manquent d'une description classique. De son point de vue de grenouille, cependant, chaque observateur ne perçoit qu'une infime fraction de cette réalité complète : elle ne peut voir que son propre volume de Hubble (niveau I) et la décohérence l'empêche de percevoir les copies parallèles de niveau III d'elle-même. Lorsqu'on lui pose une question, qu'elle prend une décision rapide et qu'elle répond, les effets quantiques au niveau des neurones de son cerveau conduisent à de multiples résultats, et du point de vue de l'oiseau, son passé unique se ramifie en de multiples futurs. De leur point de vue de grenouille, cependant, chaque copie d'elle n'est pas consciente des autres copies, et elle perçoit cette ramification quantique comme un simple caractère aléatoire. Par la suite, il existe à toutes fins pratiques de multiples copies d'elle qui ont exactement les mêmes souvenirs jusqu'au moment où elle répond à la question.

*** En effet, l'image mentale standard de ce qu'est le monde physique correspond à un troisième point de vue intermédiaire que l'on pourrait appeler le point de vue consensuel. De votre point de vue de grenouille subjectivement perçu, le monde se retrouve à l'envers lorsque vous vous tenez sur la tête et disparaît lorsque vous fermez les yeux, mais vous interprétez inconsciemment vos entrées sensorielles comme s'il existait une réalité externe indépendante de votre orientation, de votre emplacement et de votre état d'esprit. Il est frappant de constater que bien que ce troisième point de vue implique à la fois une censure (comme le rejet des rêves), une interpolation (comme entre les clignements d'yeux) et une extrapolation (par exemple, attribuer l'existence à des villes invisibles) de votre point de vue intérieur, des observateurs indépendants semblent néanmoins partager ce point de vue consensuel. Bien que la vue intérieure soit en noir et blanc pour un chat, irisée pour un oiseau voyant quatre couleurs primaires, et encore plus différente pour une abeille voyant la lumière polarisée, une chauve-souris utilisant un sonar, une personne aveugle avec un toucher et une ouïe plus aiguisés, ou le dernier aspirateur robotique hors de prix, tous s'accordent sur le fait que la porte est ouverte ou non. Le principal défi actuel de la physique est de dériver ce point de vue consensuel semi-classique des équations fondamentales spécifiant la perspective de l'oiseau. À mon avis, cela signifie que bien que la compréhension de la nature détaillée de la conscience humaine soit un défi important en soi, elle n'est pas nécessaire pour une théorie fondamentale de la physique.

Aussi étrange que cela puisse paraître, la figure 5 illustre que cette même situation se produit même dans le multivers de niveau I, la seule différence étant l'endroit où résident ses copies (ailleurs dans le bon vieil espace tridimensionnel par opposition à ailleurs dans l'espace de Hilbert de dimension infinie, dans d'autres branches quantiques). En ce sens, le niveau III n'est pas plus étrange que le niveau I. En effet, si la physique est unitaire, alors les fluctuations quantiques pendant l'inflation n'ont pas généré des conditions initiales uniques par le biais d'un processus aléatoire, mais ont plutôt généré une superposition quantique de toutes les conditions initiales possibles simultanément, après quoi la décohérence a fait que ces fluctuations se comportent essentiellement de manière classique dans des branches quantiques distinctes. La nature ergodique de ces fluctuations quantiques (section I B) implique donc que la distribution des résultats dans un volume de Hubble donné au niveau III (entre différentes branches quantiques comme dans la figure 3) est identique à la distribution que vous obtenez en échantillonnant différents volumes de Hubble au sein d'une seule branche quantique (niveau I). Si les constantes physiques, la dimensionnalité de l'espace-temps, etc. peuvent varier comme au niveau II, alors elles varieront également entre les branches quantiques parallèles au niveau III. La raison en est que si la physique est unitaire, alors le processus de brisure spontanée de symétrie ne produira pas un résultat unique (bien qu'aléatoire), mais plutôt une superposition de tous les résultats qui se décohérent rapidement en branches de niveau III distinctes à toutes fins pratiques. En bref, le multivers de niveau III, s'il existe, n'ajoute rien de nouveau au-delà des niveaux I et II — juste plus de copies indiscernables des mêmes univers, les mêmes vieux scénarios se déroulant encore et encore dans d'autres branches quantiques. Postuler un effet non unitaire encore invisible pour se débarrasser du multivers de niveau III, avec le rasoir d'Ockham à l'esprit, ne rendrait donc pas Ockham plus heureux.

Le débat passionné sur les univers parallèles d'Everett qui fait rage depuis des décennies semble donc se terminer par un grand anticlimax, avec la découverte d'un multivers moins controversé qui est tout aussi grand. Cela rappelle le célèbre débat Shapley-Curtis des années 1920 sur la question de savoir s'il existait réellement une multitude de galaxies (univers parallèles selon les normes de l'époque) ou une seule, une tempête dans un verre d'eau maintenant que la recherche s'est tournée vers d'autres amas de galaxies, superamas et même volumes de Hubble. Avec le recul, les controverses Shapley-Curtis et Everett semblent positivement désuètes, reflétant notre réticence instinctive à élargir nos horizons.

Une objection courante est que la ramification répétée augmenterait exponentiellement le nombre d'univers au fil du temps. Cependant, le nombre d'univers N peut très bien rester constant. Par le nombre d'“univers” N, nous entendons le nombre qui sont indiscernables du point de vue de la grenouille (du point de vue de l'oiseau, il n'y en a bien sûr qu'un seul) à un instant donné, c'est-à-dire le nombre de volumes de Hubble macroscopiquement différents. Bien qu'il y en ait évidemment un grand nombre (imaginez déplacer des planètes vers de nouveaux emplacements aléatoires, imaginez avoir épousé quelqu'un d'autre, etc.), le nombre N est clairement fini — même si nous distinguons pédamment les volumes de Hubble au niveau quantique pour être trop prudents, il n'y a “que” 115 environ 1010 avec une température inférieure à 108 K comme indiqué ci-dessus. L'évolution unitaire fluide de la fonction d'onde dans la perspective de l'oiseau correspond à un glissement sans fin entre ces N instantanés d'univers classiques du point de vue de la grenouille d'un observateur. Maintenant, vous êtes dans l'univers A, celui où vous lisez cette phrase. Maintenant, vous êtes dans l'univers B, celui où vous lisez cette autre phrase. Autrement dit, l'univers B a un observateur identique à celui de l'univers A, sauf avec un instant supplémentaire de souvenirs. Dans la figure 5, notre observateur se retrouve d'abord dans l'univers décrit par le panneau de gauche, mais maintenant il y a deux univers différents qui s'y connectent en douceur comme B l'a fait à A, et dans les deux, elle ne sera pas consciente de l'autre. Imaginez dessiner un point séparé correspondant à chaque univers possible et dessiner des flèches indiquant lesquels se connectent à lesquels dans la perspective de la grenouille. Un point pourrait mener uniquement à un autre point ou à plusieurs, comme ci-dessus. De même, plusieurs points pourraient mener à un seul et même point, car il pourrait y avoir de nombreuses façons différentes dont certaines situations auraient pu se produire. Le multivers de niveau III implique donc non seulement des branches qui se divisent, mais aussi des branches qui fusionnent.

L'ergodicité implique que l'état quantique du multivers de niveau III est invariant sous les translations spatiales, qui est une opération unitaire tout comme la translation temporelle. S'il est également invariant sous la translation temporelle (cela peut être arrangé en construisant une superposition d'un ensemble infini d'états quantiques qui sont tous des translations temporelles différentes d'un seul et même état, de sorte qu'un Big Bang se produise à des moments différents dans différentes branches quantiques), alors le nombre d'univers resterait automatiquement exactement constant. Tous les instantanés d'univers possibles existeraient à chaque instant, et le passage du temps ne serait que dans l'œil du spectateur — une idée explorée dans le roman de science-fiction “Permutation City” (Egan 1995) et développée par Deutsch (1997), Barbour (2001) et autres.

Le débat sur la façon dont la mécanique classique émerge de la mécanique quantique se poursuit, et la découverte de la décohérence a montré qu'il y a beaucoup plus que de simplement laisser la constante de Planck h̄ se réduire à zéro. Pourtant, comme l'illustre la figure 7, ce n'est qu'un petit morceau d'un puzzle plus vaste. En effet, le débat sans fin sur l'interprétation de la mécanique quantique — et même la question plus large des univers parallèles — est en un sens la pointe d'un iceberg. Dans la parodie de science-fiction “Le Guide du voyageur galactique”, la réponse s'avère être “42”, et le plus dur est de trouver la vraie question. Les questions sur les univers parallèles peuvent sembler être à peu près aussi profondes que les questions sur la réalité peuvent l'être. Pourtant, il existe une question sous-jacente encore plus profonde : il existe deux paradigmes tenables mais diamétralement opposés concernant la réalité physique et le statut des mathématiques, une dichotomie qui remonte sans doute aussi loin que Platon et Aristote, et la question est de savoir lequel est correct.

• PARADIGME ARISTOTÉLICIEN : La perspective de grenouille subjectivement perçue est physiquement réelle, et la perspective d'oiseau et tout son langage mathématique ne sont qu'une approximation utile.
• PARADIGME PLATONICIEN : La perspective d'oiseau (la structure mathématique) est physiquement réelle, et la perspective de grenouille et tout le langage humain que nous utilisons pour la décrire ne sont qu'une approximation utile pour décrire nos perceptions subjectives.

Qu'est-ce qui est le plus fondamental — la perspective de grenouille ou la perspective d'oiseau ? Qu'est-ce qui est le plus fondamental — le langage humain ou le langage mathématique ? Votre réponse déterminera ce que vous pensez des univers parallèles. Si vous préférez le paradigme platonicien, vous devriez trouver les multivers naturels, car notre sentiment que par exemple le multivers de niveau III est “étrange” reflète simplement que les perspectives de grenouille et d'oiseau sont extrêmement différentes. Nous brisons la symétrie en appelant ce dernier étrange parce que nous avons tous été endoctrinés avec le paradigme aristotélicien dans notre enfance, bien avant même que nous ayons entendu parler des mathématiques - la vision platonicienne est un goût acquis !

Dans le second cas (platonicien), toute la physique est en fin de compte un problème de mathématiques, car un mathématicien infiniment intelligent étant donné les équations fondamentales du cosmos pourrait en principe calculer la perspective de la grenouille, c'est-à-dire calculer quels observateurs conscients de soi l'univers contiendrait, ce qu'ils percevraient et quel langage ils inventeraient pour décrire leurs perceptions les uns aux autres. En d'autres termes, il existe une “Théorie du Tout” (TOE) au sommet de l'arbre de la figure 7 dont les axiomes sont purement mathématiques, car les postulats en anglais concernant l'interprétation seraient dérivables et donc redondants. Dans le paradigme aristotélicien, en revanche, il ne peut jamais y avoir de TOE, car on ne fait finalement qu'expliquer certaines déclarations verbales par d'autres déclarations verbales — c'est ce qu'on appelle le problème de la régression infinie (Nozick 1981).