En physique, nous aimons les théories simples et largement applicables. Par «simplicité», les physiciens entendent généralement une théorie mathématique basée sur le nombre minimum possible de postulats. Par «large applicabilité», nous entendons des théories capables d'expliquer une large classe de phénomènes, bien qu'ils ne soient pas liés à première vue. Un exemple classique est la théorie générale de la relativité d'Einstein. Il est basé sur un petit nombre de principes simples et explique avec succès les orbites des planètes dans ce système et tout autre système solaire, les trous noirs, les ondes gravitationnelles et l'expansion de l'univers.
Lorsque les théories sont simples et largement applicables, les physiciens les appellent «belles». Les lauréats du prix Nobel
Steven Weinberg et
Frank Wilchek ont comparé ces théories avec les œuvres de Mozart, avec des constructions idéales magistralement faites dans lesquelles chaque note, comme si selon le plan de Dieu, est à sa place: supprimez-en une et la composition sera détruite. De si belles théories ont une intégrité mathématique, comme si elles révélaient une certaine vérité naturelle profonde, une sorte de code caché de la Création. L'Univers a de nombreuses couches, de la plus grande à la plus petite, chacune étant décrite par ses propres mathématiques. Mais font-ils partie d'une composition plus large, d'une tonalité unificatrice qui résonne à travers la nature?
C'est l'espoir de tous les physiciens qui recherchent une théorie finale qui entrelacera de nombreuses couches de réalité physique en un tout mathématique. Nous pouvons l'appeler le rêve ultime de Platon, la recherche d'une seule théorie simple et largement applicable. Au cours des 40 dernières années, ces recherches ont inspiré bon nombre des scientifiques les plus intelligents du monde. Mais aujourd'hui, nous voyons déjà les limites de ce désir de réduire la nature aux mathématiques, résultant d'un manque de confirmation expérimentale et de plusieurs obstacles théoriques - y compris la possibilité de l'existence de plusieurs univers et de questions difficiles connexes.
L'idée moderne de la recherche de l'union est la théorie des cordes, qui suppose que les essences fondamentales de la nature sont des tubes d'énergie vibrants et non des particules ponctuelles de matière. Différentes vibrations correspondent à différentes particules que nous observons, tout comme les différentes vibrations d'une corde de violon correspondent à des sons différents. Lorsque j'ai commencé à étudier la physique théorique au milieu des années 80, notre tâche principale était de rechercher une solution unique à la théorie des cordes: notre univers, avec toutes ses particules et interactions. Nous avons cru au succès rapide, au fait que la nature était vraiment un code mathématique dans l'espace-temps à 10 dimensions, en neuf dimensions spatiales et une dimension temporelle. Idéalement, six dimensions spatiales cachées devaient déterminer la physique que nous observons dans trois dimensions ordinaires: les plier dans une direction, obtenir un univers; pliez-vous vers un autre, prenez-en un autre. L'appel était l'unicité de la solution - une géométrie pour des mesures supplémentaires qui nous dirait tout ce dont nous avions besoin. Aucune théorie ne pourrait être plus simple, plus étendue et plus belle.
Hélas, cela n'était pas destiné à se produire. Avancez rapidement de trois décennies et découvrez comment tout a radicalement changé. Les physiciens étaient stupéfaits par le fait qu'au lieu d'une solution unique, il y en avait un grand nombre - selon certaines estimations, une unité avec 500 zéros, chacun offrant sa propre version de dimensions supplémentaires, sa propre version de l'univers. On suppose que chacun d'eux a son propre ensemble de constantes fondamentales, telles que des quantités comme la masse d'un électron et sa charge, la force d'attraction gravitationnelle - des quantités qui déterminent les propriétés physiques de la nature. Et où est notre univers parmi cette multitude de possibilités? Nous savons que si ces constantes étaient légèrement corrigées, la vie deviendrait impossible - nous ne serions pas ici. En d'autres termes, nous vivons là où nous vivons, parce que nous ne pourrions vivre nulle part ailleurs - notre Univers est l'un des rares qui nous permet d'exister. Bien sûr, cela est vrai, mais d'un point de vue scientifique, cela ne fait pas grand-chose. Pire, cela ressemble à une tautologie. La théorie des cordes est passée d'une théorie capable de prouver mathématiquement l'unicité de notre univers à une théorie qui permet l'existence d'innombrables univers qui n'ont pas de favoris.
Nous devons reconsidérer la manière de raisonner qui nous a conduits à cette crise. Le problème est enraciné dans une tâche philosophique plus profonde - la cause profonde. Les gens, les créatures, immergés dans le courant du temps, avec un début et une fin clairs, depuis des temps immémoriaux, ont été intrigués par les conditions initiales. Comment quelque chose peut-il venir de rien? Qu'est-ce qui attribue les propriétés de ce quelque chose (c'est-à-dire les valeurs des constantes fondamentales) au début? Qui a commandé ça? Qui nous a commandé?
Notre erreur est que d'un point de vue scientifique, ce sont les mauvaises questions.
Les physiciens travaillent sur une plateforme très claire. Pour déterminer l'évolution du système dans le temps, il est nécessaire de désigner ses conditions initiales, l'état du système au temps zéro. Cela implique de connaître le système à ses débuts, ce que nous obtenons grâce aux mesures. En cosmologie, ce n'est pas possible. Nous pouvons limiter les conditions initiales et les valeurs des constantes fondamentales en fonction de ce que nous savons de l'univers aujourd'hui, mais nous ne pouvons pas être sûrs que nos conclusions sont finales. Les preuves que nous recueillons aujourd'hui sur le passé lointain peuvent nous donner une image incomplète de ce qui s'est passé. Et le multivers ne fait que déplacer le problème des conditions initiales à un autre niveau, sans le résoudre.
Toute théorie essayant de déterminer sans ambiguïté les conditions initiales de l'Univers, et à travers elles les valeurs des constantes fondamentales, fait ce à quoi la physique n'est pas destinée. Avons-nous atteint une impasse, obligés d'accepter les valeurs des constantes telles qu'elles sont? Sur la plateforme actuelle, oui. Et les tentatives pour contourner ce problème, même si elles sont inspirantes, ne seront qu'un rond-point.
Mais tout n'est pas perdu. La recherche d'une théorie simple et complète obscurcit une vision plus globale de la nature de la physique. La physique est la construction d'une description en constante évolution et auto-corrigeante des phénomènes naturels. Elle est détachée des spéculations métaphysiques sur la nature de la réalité, qui est plus liée à notre recherche de sens qu'à la manière dont la nature fonctionne. En d'autres termes, la physique est l'expression de l'humilité intellectuelle. Nous apprenons à vivre dans l'ignorance et en retour, nous avons l'opportunité de progresser progressivement.
Donc, il n'y a rien de mal à l'arbitraire apparent des lois existantes de la physique, et en rejetant le dogme que la beauté est dans la simplicité et la vérité est dans la beauté. Si la physique est comprise comme une explication descriptive, libre de la recherche de l'unité, alors vous pouvez vous débarrasser de la peur existentielle de ne pas tout savoir dans le monde. Peut-être que notre dilemme actuel est le symptôme de quelque chose de plus grand, d'un changement profond dans la nature méthodologique des théories physiques. Nous devons peut-être les aborder d'un point de vue historique, abandonnant la recherche infructueuse d'une explication de la cause profonde et de la vérité éternelle. Il est possible que la nature des théories physiques reflète leur structure descriptive, par morceaux et graduelle, résultant de notre conscience imparfaite et incomplète de la réalité. Et il n'y a rien de mal à cela.