Un univers à notre mesure ?

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Leonard Susskind, Le paysage cosmique

Le principe anthropique a tout pour déplaire. N'est-ce pas une façon de renoncer à toute explication scientifique, une sorte de tautologie qui se contente de dire que les choses sont telles qu'elles sont ? On peut même tomber avec le "principe anthropique fort" dans l'illusion religieuse et téléologique qui va prétendre que les choses sont telles qu'elles devaient être, guidées par une volonté supérieure, un "dessein intelligent" !

Dans sa version faible, l'affirmation que notre monde doit réunir toutes les conditions de notre existence est pourtant incontestable : le caractère relativement exceptionnel de notre planète en témoigne réunissant non seulement les conditions de l'apparition de la vie (ce qui doit être assez courant) mais aussi un temps d'évolution assez long pour mener jusqu'aux organismes pluricellulaires et finalement jusqu'à l'humanité avec la science qui essaie de comprendre le monde. C'est une situation si rare qu'il ne serait pas impossible qu'on soit les seuls, sur cette Terre, malgré la myriade d'étoiles et de galaxies qui nous entourent ! Au moins sur ce point, le principe anthropique ne saurait être mis en doute : inutile de vouloir expliquer les caractéristiques de notre planète purement aléatoires sinon par le fait que nous en sommes le produit.

C'est à un tout autre niveau pourtant que le principe anthropique s'impose aujourd'hui aux cosmologistes puisque ce sont les caractéristiques de notre univers qui ne pourraient s'expliquer autrement que par notre présence pour le penser. En effet, toute autre valeur de la "constante cosmologique" en particulier aurait pour résultat de rendre notre existence impossible !

L'argument devient imparable dès lors que la "théorie des cordes" semble ouvrir la possibilité d'une quasi infinité d'univers différents, incapable de justifier nos caractéristiques propres, et ce, d'autant plus que la "théorie de l'inflation" suppose une multitude d'univers-bulles tous différents. Dès lors on se situe dans une situation proche du darwinisme et de la sélection naturelle : c'est le hasard de la loi des grands nombres qui peut seul expliquer l'émergence d'une complexité si improbable. C'est tout de même assez différent du darwinisme, basé sur la reproduction et l'amplification, tout comme des conditions de notre planète dont l'atmosphère a été en partie façonnées par la vie elle-même (voir La part maudite). Au niveau cosmologique, rien de tout cela. On explique seulement qu'on ne pouvait apparaître dans un autre univers. Ce qui semble un peu court même si cela reste irréfutable !

En fait, ce n'est guère plus que l'aveu des limites de notre savoir scientifique et de la part d'inexplicable qui reste dans les constantes de la physique. Le principe anthropique n'est d'une certaine façon que le prix à payer pour une théorie de plus en plus éloignée de nous ! Il m'a semblé intéressant de témoigner de cette part d'ignorance au coeur de notre savoir, d'un univers qui semble fait à notre mesure alors même qu'il apparaît de plus en plus impensable.

Leonard Susskind est un théoricien des cordes de Stanford très proche du prix Nobel 1999, le hollandais 't Hooft. L'intérêt de son livre ne se limite pas à fonder la nécessité de l'argument anthropique sur la conjonction de la théorie de l'inflation et des univers-bulles avec la découverte du fait que la constante cosmologique n'est pas nulle et que la théorie des cordes semble rendre possible 10 puissance 500 types d'univers (!). Non seulement il fait le point sur la théorie des cordes, ce qui n'est pas superflu, mais il revient aussi sur quelques autres idées extraordinaires :

1. l'univers ne se ramènerait pas à une équation simple mais à un assemblage hétéroclite et contingent, ce n'est pas un univers lisse mais rugueux.
2. les bulles d'univers passeraient d'une énergie du vide colossale à l'état supersymétrique correspondant au point zéro dont nous serions proches mais pas tout-à-fait, condition nécessaire à la vie.
3. le point de vue sur un trou noir (ou sur l'univers) serait complètement différent selon qu'on se trouve à l'extérieur ou à l'intérieur.
4. tout se passe comme si l'univers se réduisait à sa surface interne, selon la théorie holographique défendue par Susskind et 't Hooft depuis 1994.

Le caractère très hypothétique de tout cela ne doit échapper à personne et n'incite guère à y apporter beaucoup de crédit mais ce sont des idées qui semblent gagner malgré tout des partisans chez les physiciens et dont il faut bien faire état. Il n'est bien sûr pas question pour moi de prendre position dans ce débat qui dépasse mes compétences, encore moins de prétendre que la "théorie des cordes" ou la "théorie de l'inflation" seraient des théories vérifiées alors qu'elles sont très spéculatives et remises en causes, en partie au moins, par des théoriciens comme Lee Smolin ou Carlo Rovelli. Je ne fais que rendre compte du livre de Leonard Susskind qui pose le problème avec une grande acuité.

Les limites de la théorie

Rien de plus passionnant, ces 40 dernières années, que d'avoir vu évoluer la cosmologie d'un stade rudimentaire d'art qualitatif à l'extrême précision d'une science quantitative. Mais ce n'est que tout récemment que les fondements de la théorie du big-bang de George Gamow ont cédé la place à une idée de plus grande envergure (...). L'étroit paradigme du 20ème siècle d'un seul univers vieux de quelque 10 milliards d'années et dun diamètre de 10 milliards d'années-lumière, obéissant à un unique corpus de lois physiques, est en train de passer le relais à une représentation conceptuelle d'une toute autre portée, grosse de nouvelles possibilités. Progressivement des cosmologistes et des physiciens comme moi-même en viennent à considérer notre monde de 10 milliards d'années-lumière comme l'une des bulles infinitésimales d'un prodigieux mégavers. Dans le même temps, les physiciens théoriciens présentent des théories qui relèguent nos lois actuelles de la nature dans un coin minuscule du gigantesque paysage des possibilités mathématiques (...). Chaque environnement possible a ses propres lois physiques, ses propres particules élémentaires et ses propres constantes de la nature. Certains environnements ressemblent au nôtre, tout en étant légèrement différents. Ils peuvent par exemple avoir (...) toutes les particules habituelles, mais soumis à une force gravitationnelle un milliard de fois supérieure à la nôtre (...). D'autres encore peuvent ressembler au nôtre, à l'exception d'une violente force répulsive (ladite constante cosmologique) qui met en pièce galaxies, molécules et atomes (...). Des régions du paysage présentent des mondes de 4, 5, 6 dimensions et même plus (...). Certains univers-bulles sont microscopiques et ne grandissent jamais. D'autres sont aussi grands que le nôtre, mais totalement vides. 29-31

L'une des conséquences les plus troublantes de cette ouverture sur l'espace des possibles, au-delà de ce que nous connaissons, c'est qu'il faudrait abandonner l'espoir de la simplicité, d'un fondement universel, ce que Hawking appelait la "pensée de Dieu" ! En effet, loin d'être simple et lisse, notre univers ne serait qu'un bricolage improbable (un assemblage hétéroclite de particules) plein de rugosités et de spécificités sans autre justification que le hasard des combinaisons. Rien ne pourrait l'expliquer sinon que nous ne pouvions apparaître ailleurs que dans ce monde ajusté à notre existence. C'est là que nous sommes nés, voilà la seule explication de ses caractéristiques particulières, en particulier la constante cosmologique (ou énergie du vide correspondant à un excès de bosons par rapport aux fermions) qui est l'équivalent d'une pression interne qui ne doit être ni trop forte (elle nous disloquerait), ni trop faible (nous serions écrasés par la gravitation). En fait cette énergie du vide serait responsable de l'inflation car plus il y a de vide et plus la pression augmente exponentiellement jusqu'à se fixer à une valeur très petite mais non nulle (à partir du 120ème chiffre après la virgule!) qui serait nécessaire à notre existence selon Weinberg ! De plus, la théorie des cordes qui est surtout une généralisation mathématique unifiant les différentes forces, multiplie les possibilités à l'infini au lieu de nous conduire à une équation ultime : la "Théorie du Tout" à laquelle les physiciens avaient pu rêver jusqu'ici.

Je m'amuse souvent à dire que si les meilleurs théories sont celles qui présentent le minimum d'équations et de principes fondamentaux, la théorie des cordes est de loin celle qui remporte la palme - personne ne lui a jamais trouvé une seule équation fondamentale, ni un seul principe déterminant ! La théorie des cordes présente tous les signes d'une structure mathématique très élégante dont la logique interne dépasse de loin celle de toutes autre théorie physique. Mais personne n'en connaît les règles fondamentales, ni les "briques" élémentaires ! 412

Multivers et supersymétrie

J'étais assez sceptique sur la théorie de l'inflation qui semblait une théorie "ad hoc" sans véritable nécessité mais ici elle est reliée à l'énergie du vide et à la supersymétrie de façon assez convaincante. La supersymétrie est une curieuse théorie puisqu'elle suppose qu'à chaque fermion serait associé un boson (à l'électron on associé un "selectron") et à chaque boson un fermion (au photon on associe un "photino"). Cela parait d'autant plus extravagant qu'on n'a aucune trace de ces nouvelles particules. On comprend mieux l'intérêt de ces élucubrations quand on sait que cette supersymétrie correspond à une version simplifiée de la théorie des cordes, pratiquement la seule où les calculs ne sont pas trop compliqués, et surtout qu'un univers supersymétrique serait un univers où l'énergie du vide (et la constante cosmologique) serait nulle (égalité entre bosons et fermions).

Du coup on peut imaginer un processus conduisant de bulles d'univers de "haute altitude", c'est-à-dire à très grande énergie du vide (se disloquant très rapidement), dans lesquels pourraient naître des univers un peu plus symétriques jusqu'à aboutir au point zéro où aucun autre univers ne pourrait naître. Notre univers se situerait sur ce chemin vers la supersymétrie, assez proche (seulement le 120ème chiffre après la virgule différent de zéro!) ce qui lui donne les caractéristiques, entre autres, de durabilité où la vie a le temps de se développer, mais un univers un peu plus symétrique pourrait y surgir. Leonard Susskind compare l'état non supersymétrique à la "surfusion" qui se produit par exemple lorsqu'une eau ne gèle pas encore bien qu'étant en-dessous de 0°, jusqu'à ce qu'une impureté provoque la cristallisation (ce qu'illustre le lac de Ladoga, en 1942, qui se met à geler au moment où les chevaux se jettent à l'eau). Drôle d'histoire quand même !

Le mieux serait de partir d'une parcelle d'univers piégée dans une vallée de haute altitude. La violence des force répulsives induites par l'énorme énergie du vide désintègre tout instantanément, y compris des particules comme les protons. Ce monde primordial est extrêmement inhospitalier. Il est également très petit : l'horizon se trouve à une distance infime - inférieure au rayon du proton - et la région accessible à l'observateur est microscopique, ne dépassant peut-être pas la longueur de Planck. Manifestement, aucun observateur réel ne peut survivre dans un tel environnement, mais négligeons cet aspect des choses.

Au bout d'un certain temps, une bulle se forme, grandit et investit l'ensemble de la région accessible à l'observateur. Celui-ci se trouve lui-même entouré par un environnement à peine plus accueillant : la constante cosmologique est plus petite et l'horizon a grandi en ménageant un peu plus d'espace pour se dégourdir. Cela dit, la constante cosmologique de la nouvelle vallée est encore bien trop grande pour assurer un minimum de confort. Mais voilà qu'une nouvelle bulle grandit à son tour, en donnant cette fois un environnement doté d'une constante cosmologique un peu plus petite. De tels événements peuvent survenir plusieurs fois. L'observateur voit une série d'environnements dont aucun ne convient à la vie. Finalement, une bulle d'énergie du vide de valeur nulle se forme une bulle à vide supersymétrique. La bulle se transforme en un univers ouvert à courbure négative et cesse d'évoluer. 343-344

Qu'en est-il de notre univers aujourd'hui ? des bulles appartenant à un autre environnement pourraient-elles se former, grandir et prendre possession de notre univers ? Que nous arriverait-il si nous nous faisions avaler par une bulle de ce genre ? La réponse de la théorie des cordes suggère que nous serons un jour engloutis dans un environnement dévastateur, fatal à toute forme de vie (...) Il n'y a pas de raison pour que notre bulle d'univers ne puisse produire une bulle d'énergie plus faible. Et nous savons qu'il existe des endroits de ce genre dans le paysage : le cimetière des univers - celui des régions supersymétriques où la constante cosmologique est égale à zéro. Patientez suffisamment longtemps, et nous finirons bien par nous retrouver dans ce type de vide (...) Pour être une merveille d'élégance, l'univers supersymétrique aurait des ois physiques rétives à toute forme de chimie, donc de vie.

Si nous sommes effectivement condamnés à être engloutis dans un environnement hostile supersymétrique, combien de temps nous reste-t-il ? Cela peut arriver demain, l'année prochaine, dans un milliard d'années ? Comme pour toute fluctuation quantique, cela peut arriver n'importe quand. La mécanique quantique se contente d'énoncer la probabilité de l'événement à n'importe quel moment. Et la réponse est qu'il est extraordinairement improbable que cela arrive bientôt. En fait, il y a peu de chances pour que cela arrive dans un milliard, mille milliards ou mille milliards de milliards d'années. Les meilleures estimations suggèrent que notre monde puisse durer au moins 10 puissance 100 années, et sans doute bien plus longtemps ! 342

Trou noir

C'est sans doute le plus étonnant. J'en avais déjà rendu compte, sans vraiment comprendre... Il y aurait 2 réalités différentes selon qu'on se situe à l'extérieur ou à l'intérieur d'un trou noir ! Ce serait un peu la même chose que la "complémentarité" quantique interdisant de connaître à la fois la position et la vitesse d'une particule ou bien ce qui fait apparaître la lumière soit comme onde, soit comme particule selon le dispositif de l'expérience. Ici, c'est ce qui se passe dans un trou noir qui relèverait de 2 descriptions incompatibles (mais qui trouveraient une équivalence dans la théorie holographique) selon la position de l'observateur. Il s'agit de rendre compte de l'expérience hypothétique d'une observatrice pénétrant dans un trou noir (qui passe son rayon de Schwarzschild matérialisant la limite au-delà de laquelle la déformation de l'espace-temps par la gravitation empêche la lumière de s'échapper) et de ce qu'un observateur extérieur pourrait en voir :

Les descriptions complémentaires des deux expériences sont si radicalement différentes qu'il semble à peine crédible que les deux puissent être justes. L'observateur externe voit la matière plonger vers l'horizon, ralentir puis planer juste au-dessus. La température juste au-dessus de l'horizon est si intense qu'elle réduit toute la matière à des particules qui finalement vont rayonner vers l'extérieur. En fait, l'observateur externe la voit se vaporiser et se manifester à nouveau sous forme de rayonnement de Hawking.

Mais cela ne ressemble pas du tout à ce que vit l'observatrice qui tombe librement dans le trou noir. Elle traverse l'horizon sans encombre et sans même le remarquer. Pas de choc ni de secousse, pas de température démente, ni le moindre signal indiquant qu'elle a dépassé le point de non-retour. Si le trou noir est suffisamment grand, disons d'un rayon de quelques millions d'années-lumière, elle poursuivra son voyage pendant un autre million d'années sans inconfort. Sans inconfort... du moins jusqu'à ce qu'elle atteigne le coeur du trou noir où des forces de marée - les forces déformantes de la gravitation - finissent pas être si importantes que... 366

Cela m'étonne, à la fois que la gravitation ne soit pas plus forte dès qu'on tombe à l'intérieur du trou noir, et encore plus qu'on ne puisse s'apercevoir qu'on a passé le rayon de Schwarzschild (ne devrait-il pas faire office de miroir en reflétant la lumière qui ne peut s'échapper ?). De même peut-on dire comme l'auteur que l'observatrice perd tout contact avec l'extérieur alors qu'elle peut en recevoir un signal, semble-t-il ? C'est elle qui ne peut en renvoyer un vers l'observateur extérieur. Ce n'est quand même pas tout-à-fait comparable à la relativité car, dans cette expérience de pensée, il y aurait d'un côté conservation d'un corps et de l'autre sa destruction et sa transformation en rayonnement ! Mais ce ne serait peut-être qu'une illusion, simple question de point de vue...

Notons que, dans sa controverse avec Hawking ("la guerre du trou noir" qu'il semble avoir remporté) la discussion porte sur la question de savoir si "l'information" est détruite dans les trous noirs (ce qu'il conteste au nom des principes de la physique quantique) ou si elle ressort par le rayonnement, l'évaporation du trou noir (même très très lentement). Il peut y avoir d'autant plus confusion qu'il utilise le mot de "bit" d'information pour désigner la conservation des caractéristiques de la matière (comme la rotation, l'énergie, la charge, etc.), ce qui n'est une information que pour le physicien et ne désigne réellement que la conservation de l'énergie. Il est évident qu'il y a beaucoup d'informations perdues : la configuration moléculaire, l'ADN, le squelette, le cerveau...

La théorie holographique

Le principe de complémentarité du trou noir dit que la position de l'information n'est pas définie. L'un des observateurs (en l'occurrence notre observatrice) constate que les bits dont sont corps est constitué se trouvent quelque part très loin derrière l'horizon. l'autre voit les mêmes bits revenir sous forme de rayonnement émis dans une région qui se trouve juste au voisinage de l'horizon. Il semble donc que l'idée que l'information ait une position définie dans l'espace soit fausse. 368

L'une des découvertes les plus étranges de la physique moderne est que l'univers est une sorte d'image holographique. Encore plus étonnant, le nombre de pixels que comprend un hologramme n'est proportionnel qu'à la surface de la région décrite, pas à son volume. Tout se passe comme si tout le contenu à 3 dimensions d'une région donnée, d'un volume d'un milliard de "voxels" (point à 3 dimensions), pouvait être représentée sur un écran d'ordinateur d'1 million de pixels seulement ! Imaginez que vous vous trouviez dans une immense pièce délimitée par des murs, un plafond et un plancher. Mieux encore, imaginez que vous vous trouviez dans un grand espace sphérique (...) En fait, vous-même et tout ce qui se trouve dans la pièce êtes des images de données stockées dans un hologramme quantique situé à la frontière. L'hologramme est un ensemble bidimensionnel de minuscules pixels dont chacun a la dimension de la longueur de Planck ! Bien entendu, la nature de cet hologramme quantique et la façon dont il code les données tridimensionnelles diffèrent beaucoup du mode de fonctionnement des hologrammes ordinaires. 370

Quel rapport avec les trous noirs ? (...) Les 2 images différentes que la complémentarité du trou noir tente de réconcilier ne sont que 2 reconstitutions du même hologramme selon 2 algorithmes différents ! (...) On peut décrire la scène entière par un hologramme quantique situé très loin sur une frontière de l'espace. Mais il y a désormais 2 façons - 2 algorithmes - permettant de décoder l'hologramme. La première reconstitue la scène telle qu'on la voit de l'extérieur du trou noir, avec le rayonnement de Hawking qui restitue tous les bits qui y étaient tombés. Mais la seconde reconstitution montre la scène vue par quelqu'un qui tomberait dans le trou noir. 371

Or l'horizon cosmique des événements d'un univers en expansion éternelle est mathématiquement très semblable à l'horizon d'un trou noir (...) La seule différence entre l'horizon d'un trou noir et l'horizon cosmique de l'espace en éternelle expansion est que dans un cas on le regarde de l'extérieur, et dans l'autre on se trouve dedans et l'on regarde vers l'extérieur. Mais à tous autres égards, le trou noir et l'horizon cosmique sont identiques. 372-373

Existe-t-il également des "cartes" en provenance de derrière l'horizon cosmique, porteuses des messages de milliards d'univers-bulles ? (...) Au point où nous en sommes, vous avez peut-être deviné qu'il s'agit des photons du rayonnement du fond diffus cosmologique micro-onde qui nous entoure de toutes parts. 373

Inutile de dire que tout cela est difficile à croire (tout comme le fait que ce n'est pas le soleil qui tourne autour de nous!) mais ce n'est pas une fantaisie de l'imagination, c'est une réalité mathématique : les calculs sont plus simples dans la théorie holographique comme les calculs sont plus simples à considérer qu'on tourne autour du soleil plutôt qu'à être le centre du monde, ce qui ne peut être un hasard ! L'interprétation du fond cosmique n'est pas celle admise couramment, et que l'auteur ne semble pas rejeter pourtant, comme image de notre univers en formation ! Il y a bien d'autres théories en gestation actuellement, témoignant d'une désorientation plus que d'un bouillonnement semble-t-il ! Certaines pourraient se révéler compatibles (celle de Thibault Damour et Sergey Solodukhin pour qui les trous noirs seraient indiscernables des trous de ver). D'autres explorent des pistes alternatives comme la gravitation en boucles (Lee Smolin proposant un mécanisme d'univers auto-réplicatifs pouvant sélectionner les univers durables sans faire intervenir le principe anthropique). Plus exotique encore, bien que dans le cadre de la théorie des cordes, on a fait l'hypothèse récemment d'une deuxième dimension temporelle dont on a bien du mal à comprendre ce qu'elle pourrait signifier (sinon qu'on pourrait intervertir position et vitesse!). Pour Robert B. Laughlin, les lois de la nature pourraient être simplement des lois émergentes qui ne sont pas liées aux supposés constituants ultimes mais il échouerait à rendre compte ainsi des trous noirs justement. Sans parler de la théorie d'un espace fractal, qui est l'inverse des lois émergentes mais ne semble pas être très sérieuse. Il y a même eu très récemment une remise en cause, très controversée, de l'existence même des trous noirs...

Ce qui manque à cette physique spéculative, ce sont des expériences qui permettent de trancher. Le LHC qui ne sera opérationnel qu'en 2008 devrait apporter du nouveau, on peut l'espérer car il sera très difficile ensuite de franchir une étape supplémentaire dans les hautes énergies avant longtemps ! Les années prochaines (surtout 2008-2009) devraient être des années décisives pour la physique (boson de Higgs, trous noirs, axion, supersymétrie, etc.).