Les cosmologistes ont passé des décennies à s’efforcer de comprendre pourquoi notre univers est si incroyablement vanillé. Non seulement il est lisse et plat à perte de vue, mais il s’étend également à un rythme de plus en plus lent, alors que des calculs naïfs suggèrent qu’à la sortie du Big Bang, l’espace aurait dû être froissé par la gravité et détruit par une énergie noire répulsive.
Pour expliquer la planéité du cosmos, les physiciens ont ajouté un premier chapitre dramatique à l’histoire cosmique : ils proposent que l’espace se soit rapidement gonflé comme un ballon au début du Big Bang, aplanissant toute courbure. Et pour expliquer la croissance douce de l’espace suite à cette période initiale d’inflation, certains ont soutenu que notre univers n’est qu’un parmi de nombreux univers moins hospitaliers dans un multivers géant.
Mais maintenant, deux physiciens ont renversé la pensée conventionnelle sur notre univers vanille. Suivant une ligne de recherche lancée par Stephen Hawking et Gary Gibbons en 1977, le duo a publié un nouveau calcul suggérant que la simplicité du cosmos est attendue, plutôt que rare. Notre univers est tel qu’il est, selon Neil Turok de l’Université d’Édimbourg et Latham Boyle du Perimeter Institute for Theoretical Physics à Waterloo, au Canada, pour la même raison que l’air se répand uniformément dans une pièce : des options plus étranges sont concevables mais extrêmement improbable.
L’univers « peut sembler extrêmement fin, extrêmement improbable, mais [they’re] en disant: « Attendez une minute, c’est le favori », a déclaré Thomas Hertog, cosmologiste à l’Université catholique de Louvain en Belgique.
« C’est une nouvelle contribution qui utilise des méthodes différentes par rapport à ce que la plupart des gens ont fait », a déclaré Steffen Gielen, cosmologiste à l’Université de Sheffield au Royaume-Uni.
La conclusion provocatrice repose sur une astuce mathématique consistant à passer à une horloge qui fait tic-tac avec des nombres imaginaires. En utilisant l’horloge imaginaire, comme Hawking l’a fait dans les années 70, Turok et Boyle ont pu calculer une quantité, appelée entropie, qui semble correspondre à notre univers. Mais l’astuce du temps imaginaire est une manière détournée de calculer l’entropie, et sans méthode plus rigoureuse, la signification de la quantité reste vivement débattue. Alors que les physiciens s’interrogent sur l’interprétation correcte du calcul de l’entropie, beaucoup le considèrent comme un nouveau repère sur la voie de la nature quantique fondamentale de l’espace et du temps.
« D’une manière ou d’une autre », a déclaré Gielen, « cela nous donne une fenêtre sur la possibilité de voir la microstructure de l’espace-temps. »
Chemins imaginaires
Turok et Boyle, collaborateurs fréquents, sont réputés pour concevoir des idées créatives et peu orthodoxes sur la cosmologie. L’année dernière, pour étudier la probabilité de notre univers, ils se sont tournés vers une technique développée dans les années 40 par le physicien Richard Feynman.
Visant à capter le comportement probabiliste des particules, Feynman a imaginé qu’une particule explore tous les chemins possibles reliant le début à la fin : une droite, une courbe, une boucle, à l’infini. Il a conçu un moyen de donner à chaque chemin un nombre lié à sa probabilité et d’additionner tous les nombres. Cette technique « d’intégrale de chemin » est devenue un cadre puissant pour prédire comment n’importe quel système quantique se comporterait très probablement.
Dès que Feynman a commencé à publier l’intégrale de chemin, les physiciens ont repéré un lien curieux avec la thermodynamique, la vénérable science de la température et de l’énergie. C’est ce pont entre la théorie quantique et la thermodynamique qui a permis le calcul de Turok et Boyle.
Le physicien et cosmologiste sud-africain Neil Turok est professeur à l’Université d’Edimbourg.Photographie : Gabriela Secara/Institut Perimeter
