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9 mai 2018 3 09 /05 /mai /2018 13:08

Le presque dernier article de S. Hawking : mettant une fin au début de l’univers.

            Ceci est le titre d’un article publié dans la revue ‘Science’, constitué d’une interview par A. Cho de Thomas Hertog cosignataire avec S. Hawking de l’article qui théorise le début de la fin du Big Bang de l’univers. Dans le présent article je propose une traduction de l’interview, avec une copie de l’original en Anglais en fin d’article. La seule chose que je peux ajouter présentement c’est que cela fait longtemps que je considère qu’il faut dépasser cette histoire de Big Bang (voir, entre autres, articles : ‘Pour un authentique Big bang’ du 26/08/2014 ; ‘Big bang et au-delà’ du 13/02/2016 ; ‘Quid du Big Bang ?’ du 27/06/2017) et donc je suis satisfait de cette publication qui ne peut représenter qu’un début de confirmation de ce sujet. Je ne peux préciser si cette théorie proposée est valable et je dirais, quitte à choquer, que peu importe car c’est le début d’un dépassement très significatif qui compte. C’est comme si un tabou de la pensée scientifique s’effritait et c’est ce qui est présentement essentiel. J’ai toujours dit que la thèse du big bang avait son utilité tant que les cosmologistes avaient besoin de poser leur pensée sur une origine pour que celle-ci puisse se déployer valablement sur une histoire de l’univers jusqu’à ce que cette origine provisoire devienne un obstacle pour penser un nouvel univers, avec plus d’ampleur et de richesses, qui inclurait, enchâsserait, évidemment celui actuel. A mon sens cela faisait beaucoup de temps qu’il fallait franchir le Rubicon et c’est tant mieux.

            De même la thèse du multivers me convient parfaitement puisqu’elle nous permet de dépasser la frontière de notre univers qui correspond à l’étape actuelle de nos capacités de connaissances. D’autres univers du multivers avec des lois physiques différentes, plus riches, deviendront accessibles et nous les intègrerons dans notre univers qui prendra de l’ampleur et c’est un processus incontournable. Je pense par exemple au fait que la vitesse de la lumière est une borne qui sera dépassé et que des événements ou phénomènes (voir la physique des neutrinos) se produisent à des vitesses qui lui sont supérieures et nous finirons par les inférer. Cela n’est pas facile parce que nous sommes, nous-mêmes, des êtres de cette lumière (sachant que la matière qui nous constitue et la lumière qu’elle rayonne sont les deux versants d’une même entité).

            Je rencontre ainsi un fondement à ma métaphysique : « Au sein d’une Eternité, parmi tous les possibles Anthrôpos ne cesse de creuser sa connaissance de l’univers… » Et il y a encore à creuser pour rejoindre l’éternité qui est évidemment inaccessible mais elle est un horizon !! Ce qui est essentiel c’est la dynamique qui rend compte de la ‘Présence’ du ‘Sujet Pensant’.

« Aujourd’hui 2 Mai, ‘Le Journal de la Physique des Hautes Energies’ publie le dernier travail de Hawking en cosmologie – la science qui rend compte comment l’univers surgit et évolue. Dans ce nouvel article, S. Hawking et Th. Hertog, tentent de coller une épingle dans un concept bizarre appelé l'inflation éternelle, ce qui implique – inévitablement, selon plusieurs physiciens – que notre univers est simplement un parmi une infinité d’autres dans un multivers. Empruntant un concept de la théorie des cordes, Hawking et Hertog argumentent qu’il n’y a pas d’inflation éternelle et seulement un univers. Mais ce qu’ils déduisent est encore quelque chose de plus basique : Ils affirment que notre univers n’a jamais connu un moment singulier de création.

Comment leur argument fonctionne ? Suivons leur fil sinueux de la fin du début.

Suit ce dessous l’interview de Th. Hertog par A. Cho.

Question : Commençons avec ce qui est basique : Qu’est-ce que l’inflation cosmique ?

Réponse : L’inflation cosmique est une poussée de croissance monumentale qui aurait étiré l'univers naissant pendant la plus petite fraction de seconde. Imaginé en 1979 par le théoricien américain Alan Guth, l’inflation se produit juste après le Big Bang, l’espace s’étend exponentiellement, doublant la dimension de l’univers encore et encore au moins 60 fois avant de ralentir considérablement.

Q : Pourquoi les cosmologistes croient en quelque chose d’aussi si bizarre ?

R : L’inflation résout un casse-tête majeur : Pourquoi l’univers est aussi uniforme ? Par exemple, l’espace est rempli d’une radiation persistante du big bang, le fond de microondes cosmique (cosmic microwave background : CMB). Il a exactement la même température dans toutes les parties du ciel. C’est étrange, que des points si largement séparés semblant à première vue être trop éloignés pour une quelconque influence l’un sur l’autre après 13.8 milliards d’années d’existence de l’univers. L’inflation résout ce casse-tête en impliquant que tous les points de l’univers étaient, au tout début, suffisamment proches pour interagir, et par la suite réparties très loin de l’un à l’autre.

Q : Est-ce que c’est tout ce que l’inflation produit ?

R : Ironiquement, l’inflation fournit aussi une explication pourquoi l’univers n’est pas complètement uniforme. Evidemment, l’espace est parsemé de galaxies. En accord avec la théorie, l’expansion étend des fluctuations quantiques infinitésimales durant ces premiers instants jusqu’à la dimension extragalactique. Les fluctuations produisent alors des variations dans la soupe dense des particules fondamentales qui ensemencent la formation des galaxies. L’inflation prédit un spectre spécifique de grandes et petites fluctuations. D’une façon frappante, les études du fond diffus cosmologique confirment cette distribution. L’inflation cosmique explique avantageusement la naissance de l’univers provenant d’une  poussée de croissance ahurissante, étirant instantanément des ondulations subatomiques à l'échelle cosmique.

Q : Alors qu’est-ce que l’inflation éternelle ?

R : C’est là que le concept d’inflation pose ses propres problèmes. Les physiciens désapprouvent profondément l’idée que l’inflation s’arrêterait soudainement, sans aucune raison particulière. Ils préféreraient de loin avoir un mécanisme qui explique ce qui a conduit à l'inflation, puis ce qui l'a fait s'arrêter. Ceci explique pourquoi ils acceptent qu’une sorte de champ quantique conduise celle-ci, avant de disparaître. L’idée est que le champ surgit seulement dans un état approximativement stable, conduisant à un état d’énergie plus élevé de ‘faux vide’ durant lequel l’espace s’étire exponentiellement. Ensuite il se relaxe à son véritable état d’énergie, durant lequel l’espace s’étend plus lentement. Toutefois ce scénario fonctionne un petit peu trop bien. L’expansion exponentielle de faux vide s’autoproduit de plus en plus, il y a donc encore plus d’expansion de l’espace à une vitesse de plus en plus grande. Notre univers est un patch qui a subi la transition vers l'état de vide vrai de basse énergie. Mais de telles transitions doivent se produire d’une façon aléatoire, donc il devrait y avoir aussi une grande quantité d’autres univers. En fait, le processus devrait produire une quantité d’espace sans cesse croissante à la vitesse exponentielle, ponctué par un nombre infini d '"univers de poche" croissant plus lentement.

Q : Est-ce que cela pose problème ?

R : Cela dépend de qui interroge. Au niveau le plus basique, l’existence de tous ces autres univers n’affecterait pas notre univers. Ils sont tellement éloignés qu’ils ne peuvent avoir la moindre connexion avec le nôtre. D’un autre côté, la notion d’inflation éternelle et de multivers peut contrecarrer toute l'entreprise des cosmologistes d'expliquer pourquoi l'univers est comme il est. Les choses comme les valeurs de certaines constantes physiques clés pourraient variées aléatoirement parmi les univers de poche, ce qui rendrait discutable les efforts pour expliquer pourquoi ils ont les valeurs qu’elles ont dans notre univers. Ils seraient déterminés par chance aléatoire et ce n’est pas très satisfaisant (sic).

Q : Donc comment la publication de Hawking et Hertog résout le problème ?

R : Hawking et Hertog argumentent qu’en fait l’inflation éternelle ne se réalise pas. Pour penser ainsi, ils empruntent un concept de la théorie des cordes qui les rend capables d’assimiler deux types différents de théories avec différentes dimensions. En 1997, le théoricien J. Maldacena a considéré un volume d’espace dans laquelle la gravité fonctionnait. Maldacena, démontra que la théorie était équivalente à une autre plus facile à travailler avec la théorie quantique sur l’espace enveloppe de ce volume qui n’incluait pas la gravité. C’est comme dire quel que soit ce qu’il y a l’intérieur d’une canette de soda il peut être saisi ce qu’il y a  dedans par une théorie décrivant seulement ce qui se produit sur la surface de la canette.

L’inflation éternelle émerge parce que dans le très primordial univers, les fluctuations quantiques du champ quantique qui mène l’inflation sont aussi importantes que la valeur moyenne du champ. Mais Hawking et Hertog argumentent que sous ses conditions on ne peut pas simplement continuer avec la relativité générale d’Einstein, mais autrement on peut exploiter une manœuvre comme celle de Maldacena pour voir toute la situation dans un espace avec une dimension en moins. Dans cet espace alternatif, les choses sont plus dociles, et la physique ne mène pas à une inflation éternelle. Au contraire, un simple, bien défini, univers fusionne.

Alors qu’est-ce que ceci a à voir avec le tout début de l’univers ?

C’est là que les choses deviennent intéressantes – et rusées. Le concept d’assimiler une théorie à une autre dans un espace avec une moindre dimension est connu par les physiciens théoriciens comme l’holographie. Dans ce travail, Maldacena assimile une théorie à une autre avec une dimension spatiale en moins. Mais il est considéré que le principe de l’holographie permet aussi d’abandonner la dimension du temps. Donc dans la théorie de Hawking et Hertog, grâce au principe de l’holographie, l’univers très primordial devrait être décrit par une théorie avec juste trois dimensions spatiales et pas de temps.

Q : Mais pourquoi voudriez-vous vous débarrasser du temps ?

R : Dès qu’il devint clair que l’univers avait un début, le moment de sa naissance devint un casse-tête pour les théoriciens. Grosso modo, la théorie de la relativité générale d’Einstein est performante pour explique les choses après le big bang, mais est inefficace pour rendre compte du moment de la création lui-même. Ce moment constitue une ‘singularité’ de l’espace-temps – comme une fonction mathématique qui explose à l’infini – disparaît de la théorie. Donc les théoriciens ont longtemps cherchés un moyen d’éviter cette singularité – et perdre le temps serait une voie pour cela.

C’est un problème qui a fasciné Hawking toute sa carrière. Il y a des dizaines d’années, il suggérait une solution alternative en spéculant qu’au tout début, le temps était, grossièrement parlant, dimensionnel, une idée qui ne correspond pas à ce  nouveau travail.

Q : Ainsi donc ceci est la fin de l’inflation éternelle et de la singularité du big bang ?

R : Probablement pas. D’autres étudieront cette publication invoquant la relation avec  changement de dimension. Et même si d’autres chercheurs sont d’accords, il y a encore une question majeure à résoudre. Si les théoriciens commencent avec une théorie comprenant seulement des dimensions spatiales, comment est-ce que le temps finalement émerge de cet espace ? Nous avons lancé un nouveau paradigme. Mais il y a beaucoup de travail à faire.  

 

Stephen Hawking’s (almost) last paper: putting an end to the beginning of the universe

By Adrian ChoMay. 2, 2018 , 5:55 PM

When Stephen Hawking died on 14 March, the famed theoretical physicist had a few papers still in the works. Today, the Journal of High Energy Physics published his last work in cosmology—the science of how the universe sprang into being and evolved. (Other papers on black holes are still being prepared.) In the new paper, Hawking and Thomas Hertog, a theoretical physicist at the Catholic University of Leuven (KU) in Belgium, attempt to stick a pin in a bizarre concept called eternal inflation, which implies—unavoidably, according to some physicists—that our universe is just one of infinitely many in a multiverse. Borrowing a concept from string theory, Hawking and Hertog argue that there is no eternal inflation and only one universe. But what they’re driving at is something even more basic: They’re claiming that our universe never had a singular moment of creation.

How does the argument work? Follow its winding thread to the end of the beginning.

Let’s start with the basics: What is cosmic inflation?

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Cosmic inflation is a monumental growth spurt that supposedly stretched the infant universe during the first tiniest fraction of a second. Dreamed up in 1979 by American theorist Alan Guth, inflation holds that just after the big bang, space stretched exponentially, doubling the size of the universe again and again at least 60 times over before slowing dramatically.

Why would cosmologists believe in something so bizarre?

Inflation solves a major puzzle: Why is the universe so uniform? For example, space is filled radiation lingering from the big bang, the cosmic microwave background (CMB). It has almost exactly the same temperature everywhere in the sky. That’s odd, as widely separated points seem at first glance to be too far apart for any influence to reach from one to the other over the 13.8 billion years the universe has been around. Inflation solves that puzzle by implying that all the points in the sky started out close enough to interact, and then were stretched far apart.

Is that all inflation does?

Ironically, inflation also does a great job of explaining why the universe isn’t completely uniform. Obviously, space is studded with galaxies. According to the theory, inflation stretched infinitesimal quantum fluctuations in those first moments to extragalactic size. The fluctuations then produced variations in the dense soup of fundamental particles that seeded the formation of the galaxies. Inflation predicts a particular spectrum of longer and shorter fluctuations. Strikingly, studies of the CMB and the galaxies confirm that distribution. 

 

So what’s eternal inflation?

Here’s where the concept of inflation runs into problems of its own. Physicists deeply dislike the idea that inflation would stop suddenly, for no particular reason. They’d much rather have a mechanism that explains what drove inflation and then caused it to stop. That’s why they assume some sort of quantum field drove it, before petering out. The idea is that the field starts out in an only approximately stable, higher-energy “false vacuum” state in which space stretches exponentially. It then relaxes to its true lowest energy state, in which space expands much more slowly.

The scenario works a little too well, however. The exponentially expanding false vacuum produces more and more of itself, so there’s ever more space expanding at an incredibly fast rate. Our universe is a patch that has undergone the transition to the low-energy true vacuum state. But such transitions should happen randomly, so there should be lot of other universes, too. In fact, the process should produce an ever-increasing amount of space that’s growing at an exponential rate, peppered with an infinite number “pocket universes” growing more slowly.

Is that a problem?

It depends on whom you ask. At the most basic level, the existence of all these other universes wouldn’t affect our universe. They’re just too far away to have any connection with ours. On the other hand, the notion of eternal inflation and a multiverse may thwart cosmologists’ entire enterprise of explaining why the universe is the way it is, Hertog says. Things like the values of certain key physical constants could vary randomly among the pocket universes, he says, which would render moot any effort to explain why they have the values they do in our universe. They would be set by random chance, Hertog says, and that’s not very satisfying.

So how does Hawking’s and Hertog’s paper solve the problem?

Hawking and Hertog argue that, in fact, eternal inflation does not occur. To do that, they borrow a concept from string theory that enables them to equate two different types of theories with different dimensionalities. In 1997, Argentine-American theorist Juan Maldacena considered a volume of space in which gravity was at work. Maldacena, who is now at the Institute for Advanced Studies in Princeton, New Jersey, then demonstrated that theory was equivalent to an easier-to-work-with quantum theory on the boundary of the space that didn’t include gravity. It’s like saying whatever goes on inside a can of soda can be captured by a theory describing only what’s happening on the can’s surface.

Eternal inflation emerges because, in the very early universe, the quantum fluctuations in the field that drives inflation are as big as the field’s average value. But Hawking and Hertog argue that under those conditions one cannot simply carry on with Albert Einstein’s general theory of relativity, but instead must use a maneuver like Maldacena’s to view the entire situation in a space with one less dimension. In that alternative space, things are more tractable, they claim, and the physics does not lead to eternal inflation. Instead, a single, well-behaved universe merges.

So what does this have to do with the beginning of the universe?

That’s where things get interesting—and tricky. The concept of equating one theory to another in a space with one fewer dimension is known to theoretical physicists as holography. In his work, Maldacena equated one theory to another in a space with one less spatial dimension. But, Hertog argues, the principle of holography allows theorists to jettison the dimension of time, instead. So in Hawking’s and Hertog’s theory, through the principle of holography, the very early universe should be described by a theory with just three spatial dimensions and no time.

But why would you want to get rid of time?

Ever since it became clear that the universe had a beginning, the moment of its birth has been a headache for theorists. Roughly speaking, Einstein’s general theory of relativity does a fine job of explaining things after the moment of the big bang, but cannot handle the instant of creation itself. That moment forms a “singularity” in spacetime—like a mathematical function that explodes to infinity—that trips up the theory. So theorists have long sought a way of avoiding that singularity—and losing time would be one way to do that.

It’s a problem that fascinated Hawking his entire career, Hertog says. Decades ago, he suggested an alternative fix by speculating that in the very beginning, time was, crudely speaking, dimensional, an idea that doesn’t mesh with the new work.

So is this the end for eternal inflation and the big bang singularity?

Probably not. Others will scrutinize Hawking’s and Hertog’s invocation of the dimension-changing relation. And even if other researchers find it to be sound, there’s still a major question to be answered, Hertog acknowledges. If theorists start with a theory with only spatial dimensions, how does time finally emerge from it? “We threw out a new paradigm,” Hertog, says, “but there's a lot of work to be done.”

Posted in:

doi:10.1126/science.aau0598

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