Lorsqu'ils répondent à des questions sur des mondes parallèles, les physiciens doivent soigneusement distinguer les interprétations de cette idée. Dans la cosmologie inflationniste, il y a l'idée d'un «multivers», en mécanique quantique - «la multiplicité des mondes» ou «branches de la fonction d'onde», en théorie des cordes - «branes parallèles». Mais récemment, les gens se demandent de plus en plus si les deux premières idées peuvent provenir de la même idée de base. (Bran, de mon point de vue, est encore un concept complètement séparé).
À première vue, c'est fou - ou, du moins, cela me semblait au début. Lorsque les cosmologistes parlent du multivers, ils utilisent un terme partiellement poétique. En fait, nous entendons différentes régions de l'espace-temps qui sont si éloignées que nous ne pouvons pas les observer, mais qui appartiennent toujours à ce que nous aimerions appeler «l'univers». Dans la cosmologie inflationniste, ces régions éloignées peuvent être relativement autosuffisantes - comme les appelle Alan Gut, «univers de poche». Si vous combinez cela avec la théorie des cordes, les lois locales émergentes de la physique dans différents univers de poche peuvent être très différentes. Ils peuvent avoir différentes particules, différentes forces et même un
nombre différent de dimensions . Par conséquent, il est tout à fait raisonnable de les considérer comme des univers séparés, même si tous font partie du même espace-temps.
Avec un regard rapide sur la mécanique quantique, la situation semble complètement différente. Rappelez-vous le
chat Schrödinger . La mécanique quantique décrit la réalité à travers des fonctions d'onde qui attribuent des valeurs (amplitudes) à toutes les probabilités possibles de ce que nous pouvons observer. Le chat n'est ni vivant ni mort - il est dans une superposition vie + mort. Au moins jusqu'à ce que nous menions l'observation. Dans une interprétation simplifiée de Copenhague, au moment de l'observation, la fonction d'onde «s'effondre» en une possibilité réelle. Nous voyons soit un chat vivant soit un chat mort. Une autre possibilité a disparu. Dans l'interprétation de la multiplicité des mondes d'Everett, les deux possibilités continuent d'exister, mais nous, observateurs macroscopiques, sommes divisés en deux - l'un d'entre nous observe un chat vivant et l'autre - un chat mort. Et maintenant, nous sommes déjà deux, tous deux absolument réels, et nous ne pouvons pas converger l'un avec l'autre.
Ces deux idées semblent complètement différentes. Dans le multivers cosmologique, d'autres univers sont juste très loin. En mécanique quantique, ils existent ici, mais dans différents espaces de possibilités (dans différentes parties de l'
espace de Hilbert , si vous voulez vous plonger dans les détails). Mais certains physiciens se demandent depuis longtemps si ces idées peuvent se révéler identiques. Et quelques nouveaux articles scientifiques publiés par des penseurs audacieux de la région de la baie de San Francisco développent cette hypothèse en détail.
1.
Théories physiques, inflation éternelle et univers quantique , Yasunori Nomura
2.
L'interprétation multivers de la mécanique quantique , Raphael Bousso et Leonard Susskind
Des idées liées à cette hypothèse ont été récemment discutées sous le titre «Comment
s'engager dans la mécanique quantique dans un univers infiniment grand» - ce sont les travaux de
Don Page et
Anthony Aguayer (et d'autres) . Mais les travaux mentionnés précédemment sont directement consacrés à l'hypothèse «multivers = multiplicité des mondes».
Après avoir lu ces deux œuvres, je suis passé d'un sceptique douteux à un disciple prudent. Cela s'est produit pour une raison simple: j'ai réalisé que ces idées cadraient bien avec celles que je pensais à moi! Je vais donc essayer d'expliquer ce qui se passe. Cependant, mon interprétation de ces œuvres est donnée sous l'influence de mes propres idées. Par conséquent, je vais expliquer ce qui, à mon avis, peut s'avérer vrai. Je pense que l'explication sera assez proche de celle présentée dans ces deux ouvrages, mais il n'est pas nécessaire de blâmer leurs auteurs pour toute bêtise venant de moi.
Il y a deux idées qui, ensemble, mènent cette hypothèse folle à quelque chose de significatif. Le premier est l'affaiblissement du vide quantique.
Lorsque les experts en physique des particules disent "vide", ils ne signifient pas "espace vide", ils parlent de "l'état avec l'énergie la plus basse de tous les états similaires". Supposons que vous ayez un
champ scalaire qui remplit l'univers, soit capable de prendre différentes valeurs, et avec chacun d'eux il y a une énergie potentielle différente des autres. Dans le cours normal des événements, le champ cherche à atteindre un minimum d'énergie potentielle - c'est le «vide». Mais en même temps il y a un «vrai vide» dans lequel l'énergie est vraiment la plus petite possible, et il y a des «faux vides» où vous avez atteint un minimum local, mais pas global.
Le sort du
faux vide a été élaboré dans plusieurs œuvres célèbres de Sydney Coleman et de ses collègues dans les années 1970. En bref, les champs sont soumis à des fluctuations quantiques. Par conséquent, le champ scalaire n'est pas dans un état de vide silencieux. Si vous le regardez, vous pouvez voir comment cela s'écarte un peu. Parfois, il dévie tellement qu'il traverse même la barrière en direction du vrai vide. Cela ne se produit pas dans l'espace en même temps; cela se produit dans une petite région, dans une bulle. Mais lorsque cela se produit, le champ s'efforce déjà de rester dans un état de véritable vide, et non faux - le premier est énergétiquement préférable. Par conséquent, la bulle se développe. D'autres bulles ailleurs se développent également. En conséquence, les bulles entrent en collision et la transition d'un faux vide à un vrai est terminée avec succès. (À moins que l'Univers ne se dilate si vite que les bulles ne se rejoignent pas). Ceci est très similaire à la façon dont l'eau se transforme en vapeur, formant des bulles.
C'est dans cette veine que tout le monde parle du sort du faux vide, mais en fait, tout ne se passe pas comme ça. Les champs quantiques ne connaissent pas de «fluctuations»; c'est un langage poétique utilisé pour faciliter la communication avec notre intuition classique. Nos observations subissent des fluctuations - nous regardons le même champ plusieurs fois, et chaque fois nous observons des valeurs différentes.
De même, dire que «une bulle se forme et grandit» n'est pas entièrement vrai. En fait, il y a une certaine amplitude quantique pour la bulle, et elle grandit avec le temps. Lorsque nous regardons le champ, soit nous voyons la bulle, soit nous ne la voyons pas - tout comme lorsque nous ouvrons la boîte Schrodinger, nous voyons un chat vivant ou un chat mort. Mais en fait, il existe une fonction d'onde quantique qui décrit toutes les possibilités à la fois.
Nous en tiendrons compte et introduirons le deuxième ingrédient clé: la complémentarité (complémentarité) de l'horizon. Il s'agit d'une généralisation de l'idée de
complémentarité des trous noirs , qui, à son tour, découle du
principe quantique
de complémentarité . (Déjà confus?). Le concept de complémentarité a été introduit par Niels Bohr, et cela signifie que "vous pouvez imaginer un électron comme une particule ou comme une onde, mais pas comme les deux en même temps". Autrement dit, il existe différentes façons, tout aussi acceptables, de décrire quelque chose qui ne peut pas être utilisé simultanément.
La complémentarité des trous noirs, en gros, est que "nous pouvons parler de ce qui se passe à l'intérieur du trou noir, ou à l'extérieur, mais pas en même temps". C'est une façon d'éviter le paradoxe de la
disparition de l'information dans un trou noir à mesure qu'elle s'évapore. Si vous jetez un livre dans un trou noir et que les informations à ce sujet ne sont pas perdues, vous devriez en principe pouvoir recréer son contenu en collectant tous les
rayonnements Hawking émis par le trou noir. Cela semble vrai même si vous ne comprenez pas le mécanisme qui régit ce processus. Le problème est que vous pouvez "couper" un espace-temps contenant à la fois le livre qui tombe à l'intérieur et le rayonnement sortant! Alors, où sont les informations? (Il ne peut pas se trouver à deux endroits en même temps - cela est interdit
par le théorème d'interdiction des clones .
Sasskind, Torlacius et Aglum, ainsi que Gerard 't Hooft, ont proposé la complémentarité comme solution au problème: vous pouvez soit parler d'un livre tombant dans une singularité à l'intérieur d'un trou noir, soit parler du rayonnement de Hawking de l'extérieur, mais pas les deux à la fois. C'est un peu comme un vœu pieux et une tentative de sauver la physique de la perspective désagréable de la disparition de l'information avec l'émission de trous noirs. Mais plus les théoriciens pensent au fonctionnement des trous noirs, plus il y a de
preuves pour la vérité de quelque chose comme la complémentarité.
Selon le principe de complémentarité des trous noirs, un observateur extérieur ne devrait pas penser à ce qui se passe à l'intérieur. Plus précisément, tout ce qui se passe à l'intérieur peut être encodé avec des informations situées à l'horizon même des événements. Cette idée cadre bien avec l'holographie et le fait que l'entropie d'un trou noir est proportionnelle à la surface de l'horizon et non à son volume. En fait, vous changez «l'intérieur du trou noir» en «information vivant à l'horizon» (plus précisément, sur «l'horizon étiré» situé directement au-dessus du réel). À son tour, cette idée est liée au
paradigme de la
membrane des trous noirs, mais cet article a déjà été gonflé.
L'horizon des événements n'est pas le seul type d'horizon dans la théorie générale de la relativité. Il y a des horizons en cosmologie. La différence est que nous pouvons être à l'extérieur du trou noir tout en étant à l'intérieur de l'univers. Et l'horizon cosmologique est la sphère qui nous entoure, au-delà de laquelle tout est si éloigné que la lumière n'a pas assez de temps pour nous atteindre.
Et il y a la complémentarité des horizons: vous pouvez parler de ce qui est à l'intérieur de votre horizon cosmologique, mais pas de ce qui est à l'extérieur. Tout ce qui, à votre avis, peut se produire en dehors de l'horizon peut être crypté sous forme d'informations sur l'horizon lui-même - tout comme les trous noirs! Cela se transforme en une déclaration très claire et plausible dans un espace vide avec une constante cosmologique (espace de Sitter), où existe même un analogue exact du rayonnement de Hawking. Mais la complémentarité des horizons prétend que cela est vrai même dans un sens plus général.
Du point de vue des partisans de la complémentarité, tous ces univers de poche de cosmologistes n'ont pas de sens. Plus précisément, vous n'avez pas besoin d'y penser littéralement. Il vous suffit de parler de ce qui se passe à l'intérieur (et à la surface) de votre propre horizon. Et ceci est une quantité finie de tout, et non un multivers infiniment grand. Vous pouvez imaginer qu'une telle perspective a des conséquences profondes dans le domaine des prédictions cosmologiques. La controverse sur la façon de lier tout cela éclate dans la communauté scientifique.
Nous allons maintenant relier les deux idées: complémentarité de l'horizon («ne pensez qu'à ce qui se passe à l'intérieur de l'univers observable») et affaiblissement du vide quantique («il y a une superposition quantique de divers états de vide à n'importe quel point de l'espace»).
Le résultat est un multivers dans un cercueil. Ou du moins le multivers à l'intérieur de l'horizon. D'une part, la complémentarité dit qu'il n'est pas nécessaire de parler de ce qui est en dehors de l'univers observé. On peut répondre à toute question raisonnable en termes de ce qui se passe à l’horizon. D'un autre côté, la mécanique quantique dit qu'une description complète de tout ce qui se passe à l'intérieur de l'univers observable comprend une amplitude dans divers états possibles. Nous avons donc remplacé le multivers cosmologique, dans lequel différents états se trouvent dans des régions extrêmement séparées de l'espace-temps, par un multivers localisé, où différents états sont au même endroit, juste sur différentes branches de la fonction d'onde.
C'est difficile à saisir tout de suite, mais j'espère que les points principaux sont clairs. Mais est-ce vrai? Et si oui, que devons-nous faire?
Évidemment, nous n'avons pas de réponses à ces questions, mais il est très intéressant d'en parler. Je suis porté à croire que cela pourrait bien être vrai. Et si oui, alors je voudrais demander quelles sont les conséquences pour les conditions cosmologiques initiales et pour la flèche du temps. Je ne pense pas que cette approche apporte des réponses simples à ces questions, mais elle peut offrir une plate-forme relativement fiable avec laquelle vous pouvez commencer à développer certaines réponses. L'univers est très vaste, et nous pouvons nous attendre à ce que sa compréhension soit un sérieux défi pour nous.