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Voici la théorie finale de Stephen Hawking sur le Big Bang

Cosmologie : Voici la théorie finale de Stephen Hawking sur le Big Bang

Stephen Hawking est considéré à juste titre comme l'un des scientifiques les plus influents de notre époque. À son époque sur cette planète, le célèbre physicien, communicateur scientifique, auteur et luminaire est devenu un nom familier, synonyme d'Einstein, de Newton et de Galilée. Ce qui est encore plus impressionnant, c’est le fait qu’il a réussi à maintenir son engagement envers la science, l’éducation et les efforts humanitaires malgré le fait qu’il souffre d’une maladie lente et dégénérative.

Bien que Hawking soit récemment décédé, son influence se fait toujours sentir. Peu de temps avant sa mort, Hawking soumit un document proposant sa dernière théorie sur les origines de l'univers. Le journal, qui a été publié plus tôt cette semaine (mercredi 2 mai), offre une nouvelle vision de la théorie du Big Bang qui pourrait révolutionner notre conception de l’Univers, de sa création et de son évolution.

Le document intitulé «Une sortie en douceur de l’éternelle inflation?» A été publié dans le Journal of High Energy Physics. La théorie a été annoncée pour la première fois lors d’une conférence à l’Université de Cambridge en juillet dernier, au cours de laquelle le professeur Thomas Hertog (physicien belge de la KU Leuven University) a partagé le document de Hawking (dont Hertog est le co-auteur) à l’occasion de son 75e anniversaire.

La dernière théorie de Stephen Hawking sur le Big Bang, soumise peu de temps avant son décès, a récemment été publiée. Crédit: Université de Cambridge

Selon le consensus scientifique actuel, toute la matière actuelle et passée de l'Univers est née au même moment - il y a environ 13, 8 milliards d'années. A cette époque, toute la matière était compactée en une très petite boule avec une densité infinie et une chaleur intense. Soudainement, cette balle a commencé à gonfler à un rythme exponentiel, et l’Univers tel que nous le connaissons a commencé.

Cependant, il est largement admis que, depuis le début de cette inflation, des effets quantiques la maintiendront indéfiniment dans certaines régions de l’Univers. Cela signifie que globalement, l'inflation de l'univers est éternelle. À cet égard, la partie observable de notre univers (mesurant 13, 8 milliards d'années-lumière dans toutes les directions) n'est qu'une région dans laquelle l'inflation a pris fin et les étoiles et les galaxies se sont formées.

Comme Hawking l'a expliqué dans une interview accordée à l'Université de Cambridge à l'automne dernier:

«La théorie habituelle de l'inflation éternelle prédit que globalement notre univers ressemble à une fractale infinie, avec une mosaïque de différents univers de poche, séparés par un océan en train de se gonfler. Les lois locales de la physique et de la chimie peuvent différer d’un univers de poche à l’autre, formant ainsi un multivers. Mais je n'ai jamais été fan du multivers. Si l'échelle des différents univers du multivers est grande ou infinie, la théorie ne peut pas être testée.

Dans leur nouvel article, Hawking et Hertog proposent une nouvelle théorie qui prédit que l’Univers n’est pas un multivers infini ressemblant à une fractale, mais est fini et raisonnablement lisse. En bref, ils théorisent que l'inflation éternelle, dans le cadre de la théorie du Big Bang, est fausse. Comme l'explique Hertog:

«Le problème avec le récit habituel de l'inflation éternelle est qu'il suppose un univers de fond existant qui évolue conformément à la théorie de la relativité générale d'Einstein et traite les effets quantiques comme de petites fluctuations autour de celle-ci. Cependant, la dynamique de l’inflation éternelle efface la séparation entre la physique classique et la physique quantique. En conséquence, la théorie d'Einstein se décompose en inflation éternelle.

Hawking et Hertog proposent une explication basée sur la théorie des cordes, une branche de la physique théorique qui tente d'unifier la relativité générale avec la physique quantique. Cette théorie a été proposée pour expliquer les interactions entre la gravité et les trois autres forces fondamentales de l'univers (forces nucléaires faibles et fortes et électromagnétisme), produisant ainsi une théorie du tout (ToE).

Pour le dire simplement, cette théorie décrit les constituants fondamentaux de l'Univers comme de minuscules cordes vibrantes unidimensionnelles. L’approche de Hawking et Hertog utilise le concept holographique de la théorie des cordes, qui postule que l’Univers est un hologramme grand et complexe. Dans cette théorie, la réalité physique dans certains espaces 3D peut être mathématiquement réduite à des projections 2D sur une surface.

Cette illustration montre l'évolution de l'univers, du Big Bang à gauche aux temps modernes à droite. Image: NASA

Ensemble, Hawking et Hertog ont développé une variante de ce concept afin de projeter la dimension temporelle de l’inflation éternelle. Cela leur a permis de décrire l’inflation éternelle sans avoir à s’appuyer sur la relativité générale, ramenant ainsi l’inflation à un état intemporel défini sur une surface spatiale au début du temps. À cet égard, la nouvelle théorie représente un changement par rapport aux travaux antérieurs de Hawking sur la «théorie sans frontière».

Également connue sous le nom de proposition de non-échange de Hartle et Hawking, cette théorie considérait l'univers comme une particule quantique, lui attribuant une fonction d'onde décrivant tous les univers possibles. Cette théorie a également prédit que si vous remontez dans le temps jusqu'au début de l'Univers, il se rétrécirait et se fermerait comme une sphère. Enfin, il a prédit que l’Univers cesserait finalement de se développer et s’effondrerait sur lui-même.

Comme l'explique Hertog, cette nouvelle théorie s'écarte de ses travaux antérieurs:

«Lorsque nous retraçons l'évolution de notre univers dans le temps, nous arrivons à un seuil d'inflation éternelle, où notre notion familière du temps cesse d'avoir un sens. Maintenant, nous disons qu'il y a une limite dans notre passé. "

En utilisant cette théorie, Hawking et Hertog ont pu obtenir des prévisions plus fiables sur la structure globale de l'Univers. En outre, un univers censé émerger de l’inflation éternelle sur la frontière passée est également fini et beaucoup plus simple. Enfin, la théorie est plus prédictive et testable que le multivers infini prédit par la vieille théorie de l’inflation éternelle.

Vue d'artiste de la fusion de trous noirs binaires. Crédit: LIGO / A. Simonnet.

"Nous ne sommes pas limités à un seul univers, mais nos résultats impliquent une réduction significative du multivers, à un nombre beaucoup plus réduit d'univers possibles", a déclaré Hawking. En théorie, un univers fini et lisse est un univers que nous pouvons observer (au moins localement) et qui sera régi par des lois physiques que nous connaissons déjà. Comparé à un nombre infini d'Univers régis par différentes lois physiques, cela simplifie certainement les calculs!

À l'avenir, Hertog envisage d'étudier les implications de cette théorie à plus petite échelle en utilisant les données obtenues par les télescopes spatiaux sur l'Univers local. En outre, il espère tirer parti des études récentes sur les ondes gravitationnelles et des nombreux événements détectés. Pour Hertog, les GW primordiaux générés à la sortie de l’inflation permanente sont le moyen le plus prometteur de tester le modèle.

En raison de l'expansion de notre univers depuis le Big Bang, ces ondes ont de très longues longueurs d'ondes, qui sont en dehors de la plage normale du détecteur LIGO (interférométrie à ondes gravitationnelles) ou des détecteurs de Virgo. Cependant, l’antenne spatiale pour interférométrie laser (LISA), un plan piloté par l’ESA pour un observatoire spatial d’ondes gravitationnelles, et d’autres expériences futures pourraient être en mesure de les mesurer.

Même s'il est plus long avec nous, la dernière théorie de Hawking pourrait être sa profonde contribution à la science. Si de futures recherches le prouvent, Hawking aura résolu l'un des problèmes les plus décourageants de l'astrophysique et de la cosmologie modernes. Encore un exploit d’un homme qui a passé sa vie à changer la façon dont les gens perçoivent l’univers!

Pour en savoir plus: Université de Cambridge

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