Univers multiples

[invite1319730c]

Bonjour,
Vous avez vu le dernier numéro (septembre) de La Recherche ? Un super dossier sur les univers multiples... C'est un peu fou ce truc. Les arguments de B. Carr et l'interview de A. Barreau sont convaincants mais quand-même... Vous y croyez ? C'est sérieux ?
Glenn.


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[Seirios]

Bonjour,

Le sujet peut être abordé de manière tout à fait sérieuse ; l'on pourra par exemple voir ces trois entrevues : http://www.cieletespaceradio.fr/inde...vers+multiples, et sur le site de l'intervenant ce document : http://www.laviedesidees.fr/IMG/pdf/..._multivers.pdf ou celui-ci : http://lpsc.in2p3.fr/ams/aurelien/au...ivers_lpsc.pdf. (Je n'ai personnellement pas lu les documents, mais les entrevues sont intéressantes)

[invite4bcf0a34]

Pourquoi pas ? L'existence d'univers multiples pourrait tordre le cou du "principe anthropique fort" qui me fait penser au "dessein intelligent" à fort accent religieux. En effet s'il existe de multiples univers avec des lois physiques internes différentes il n'y a plus à se poser la question du pourquoi de la vie sur terre. C'est juste que nous avons la chance d'habiter dans un univers assez complexe pour pouvoir engendrer des formes de vie intelligentes.

[Gilgamesh]

Repost :

L'idée d'univers multiples emboités dont le notre serait un des nombreux représentant est pour ainsi dire un prolongement du principe copernicien appliqué à l'univers tout entier, sur la base de l'idée d'inflation et des théories de gravité quantique (M-theory, Loop quantum gravity...).


Une première intro ici :
http://forums.futura-sciences.com/thread231173.html
et ici:
http://forums.futura-sciences.com/thread227257.html


A partir de là, j'ai essayé de résumer en quelques schémas les idées exposées dans ce pdf :

http://lpsc.in2p3.fr/ams/aurelien/au...ivers_lpsc.pdf

On part de l'univers visible, dans lequel il y a 2 types de singularités :
* celle du Big Bang (dans le passé de l'observateur actuel, nous)
* celle des trous noirs (dans le futur de l'observateur).

La partie hachurée représente donc ce qui est derrière l'horizon, déconnecté causalement avec l'observateur.



Y'a t'il quelque chose de non trivial "au delà" ? Et si oui, quoi ? That's the question.

L'idée d'inflation nous introduit très naturellement à l'idée que l'univers observable est une sous partie d'un espace bien plus vaste né de la bulle inflationnaire.
Dans l'espace né de l'inflation, à chaque point de l'univers où placer un observateur correspond un horizon cosmologique correspondant à l'ensemble des points d'âge cosmique celui de l'Univers.

Ici, j'ai bien séparé les observateurs mais les bulle pourraient très bien se chevaucher (c'est juste plus délicat à représenter) et les observateurs partager une grande partie de leur univers respectifs :



niveau aI

Et ceci donne naissance à la première catégorie de multivers, le niveau aI ; « a » parce que classiques dans leur origine et « I » parce que de moindre diversité que les niveaux ultérieurs. Je n'envisagerais que les type a ici.



Insistons sur le fait que les bulles correspondent aux observateurs répartis arbitrairement, mais que tous ces équivallent de notre univers visible sont en connexion.

Dans le aI, les conditions initiales peuvent varier de place en place, mais les lois physiques sont les mêmes.

Au niveau de ce multivers aI, on peut traiter le cas "infini", c'est à dire considérer une extension en volume arbitrairement grande.

L’inflation génère toutes les conditions initiales possibles avec une probabilité non nulle, la configuration la plus probable étant un très faible contraste de densité, de l’ordre de 10-5. Ces fluctuations sont ensuite amplifiées par la gravitation et forment des amas, des galaxies, des étoiles et des planètes. Cela signifie que toutes les configurations possibles de matière doivent avoir lieu dans certains volumes de Hubble et que l’on peut supposer notre propre volume comme étant relativement typique (au moins sous condition anthropique). Des calculs simples d’ordres de grandeur laissent penser que l’on peut trouver une copie à l’identique de soi-même à une distance moyenne d’environ 10^{10^{29}}\ m, une copie à l’identique d’une sphère de cent années lumières de diamètre centrées sur la Terre à environ 10^{10^{91}}\ m (nos copies dans cette sphère auront donc exactement les mêmes histoires que nous pendant au moins cent années) et une copie de notre volume de Hubble – ce que l’on nomme ici notre Univers – à environ 10^{10^{115}}\ m. Ces nombres sont colossaux mais ils sont finis, ils correspondent donc à des distances effectivement réalisées dans un multivers infini.


Niveau aII

Supposons que tous les univers de niveau I se trouvent dans une bulle. Supposons qu’il existe de nombreuses bulles – contenant chacune un multivers infini de niveau I – présentant des lois physiques effectives différentes. Les variations entre les bulles peuvent être très importantes et concerner par exemple les constantes fondamentales ou la dimensionnalité de l’espace-temps. Ce schème correspond au multivers de niveau II, prédit par la plupart des scénarii inflationnaires. Les bulles sont si éloignées les unes des autres qu’un observateur voyageant à la vitesse de la lumière pendant un temps infini ne pourrait en atteindre aucune autre. La raison pour cela tient à ce que l’espace entre les multivers de type I continue d’inflater, ce qui crée de l’espace plus vite qu’il n’est possible de se déplacer sur celui-ci. Au contraire, il est en principe possible d’accéder à temps fini à n’importe quel autre univers du multivers de niveau I si l’expansion cosmique n’accélère pas.



C'est au niveau aII que l'on peut répondre à des questions fondamentales concernant les lois de la physiques. permet d’apporter des réponses (non nécessairement ultimes) aux questions fondamentales suivantes :
- pourquoi n’observe-t-on pas de monopoles magnétiques qui devraient induire une masse de l’Univers environ 15 ordres de grandeur supérieure à celle observée ?

- pourquoi l’espace est-il si plat (euclidien) alors que l’échelle naturelle de courbure est plus élevée d’environ 60 ordres de grandeurs à celle observée ?

- pourquoi l’Univers est-il si grand ? Dans le modèle de Big-Bang le plus simple, avec un Univers dont la densité initiale est à l’échelle de Planck, on attendrait environ une dizaine de particules aujourd’hui dans le rayon de Hubble et non pas comme on l’observe 10^88

- pourquoi toutes les zones d’Univers décorrelées ont-elles commencé leur expansion en même temps ? Comment la synchronisation s’est-elle opérée ?

- pourquoi l’Univers est-il si homogène à grande échelle ?
(...)

Bien que la loi ultime de la physique soit supposée identique partout dans le multivers de niveau II, les équations effectives peuvent varier considérablement d’une bulle à l’autre. Par exemple, passer de trois à quatre dimensions d’espace non compactes change la dépendance fonctionnelle des lois gravitationnelles et électromagnétiques suivant la distance. De même, différentes effectuations d’une brisure spontanée de symétrie conduiront à différentes équations pour la dynamique des particules élémentaires. Le multivers de niveau II est donc, selon toute vraisemblance, plus riche et diversifié que celui de premier niveau.
Cette voie de recherche est actuellement extrêmement active. En théorie des cordes, le « paysage » (landscape) a sans doute environ 10^500 minima différents, ce qui peut constituer (mais ce n’est qu’une possibilité parmi d’autres) une réalisation effective du multivers de niveau II. On peut distinguer plusieurs sous-niveaux de diversité décroissante au sein du niveau II :

- différentes façons de compactifier l’espace, conduisant à la fois à des dimensionnalités et à des symétries différentes.

- différents flux (la généralisation des champs magnétiques) qui stabilisent les dimensions supplémentaires. C’est ici que le plus grand nombre de choix est possible.

- lorsque les deux choix précédents auront été faits, demeureront beaucoup de possibilités relatives aux minima des potentiels effectifs de supergravité.

- enfin, les mêmes minima et lois effectives de la physique peuvent se réaliser dans différentes bulles, chacune contenant un multivers de niveau I.

Cela correspond aux différentes couleurs dans le schémas.


Un des développement du multivers aII concerne la valeur de la constante cosmologique. Il faut expliquer pour quelle raison cette constante est si petite, tout en restant non nulle.


où Mp désigne la masse de Planck.

Ce nombre est incroyablement petit. Une explication "naturelle" de cette valeur petite mais non nulle peut prendre place dans la cadre d'un aII gigogne.




Ce multivers conduit génériquement à une structure arborescente d’inflation éternelle. Ceci apparaît clairement quand on considère un champ scalaire d’inflaton supposé quasi-constant sur plusieurs régions d’une surface de type espace (cette situation se réalise nécessairement dans un Univers infini). Ce champ exhibe des fluctuations quantiques. Dans la moitié des régions, les fluctuations augmentent la valeur du champ tandis que dans l’autre moitié elles la diminuent. Dans la première moitié, l’énergie supplémentaire engendre une expansion de l’Univers plus rapide que dans celle où le champ a fluctué vers le bas. Au bout d’un certain temps, il y aura donc d’avantage de régions présentant une fluctuation vers le haut (puisque celles-ci croissent plus vite que les autres). La valeur moyenne du champ croit ainsi avec le temps et il y aura toujours des régions où le champ est haut, même si l’évolution spontanée de celui-ci le conduit à rouler vers le fond du potentiel. D’où l’image d’une inflation globalement éternelle au sein de laquelle les régions qui subissent une fluctuation basse sortent du mécanisme d’expansion exponentielle et se « stabilisent ». Il existe ainsi un nombre infini de régions extraites de l’inflation au sein d’un méta-univers en inflation globale éternelle. Au-delà de son infinitude spatiale et de la diversité des lois engendrées, ce multivers est aussi particulièrement intéressant pour son atemporalité. Il n’y a plus d’origine absolue du temps : chaque Big-Bang dans une des bulles n’est qu’un épiphénomène au sein de l’Univers-arbre.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Gilgamesh]

(suite et fin)

Niveau aII'

On peut envisager un autre type d'arborescence, bien plus "proche de nous", basé sur la physique des trous noirs.

Selon le théorème de Penrose, une singularité doit nécessairement apparaître, au niveau de laquelle la courbure devient infinie et l’espace-temps s’achève. Aucune trajectoire ne peut « dépasser » la singularité.
Néanmoins cette conclusion peut être modifiée lorsqu’il est tenu compte des effets quantiques. Avant que la singularité soit atteinte, les densités et courbures atteignent les valeurs de Planck et la dynamique correcte ne peut être décrite que par une théorie quantique de la gravitation. Dès les années 1960, les pionniers du domaine tels John Wheeler et Bryce deWitt ont émis la conjecture que les effets de gravité quantique devraient renverser l’effondrement et engendrer une expansion. Le temps, alors, ne s’achèverait pas et il existerait une région dans le futur de ce qui aurait été une singularité. Il en résulte une nouvelle région d’espace-temps en expansion qui peut être assimilée à un Univers. L’horizon du trou noir est toujours présent, ce qui signifie qu’aucun signal provenant de la nouvelle région en expansion ne peut atteindre la région « mère » où l’effondrement a eu lieu.
La transition entre l’effondrement et l’expansion se nomme un rebond. On peut, dans ce modèle, supposer que notre propre Big-Bang est un rebond dans un Univers hôte qui et que chaque trou noir dans notre Univers génère un processus identique.





La conjecture selon laquelle les singularités de la relativité générale sont remplacées par des rebonds en gravité quantique a été confirmée par beaucoup d’investigations semi-classiques. Elle est aussi suggérée par certaines études en théorie des cordes. Tous les calculs qu’il est possible de mener de manière exacte (et non plus seulement de manière perturbative) confirment l’existence de rebonds. Fondamentalement, cela signifie que notre Big-Bang ne saurait être l’origine des temps et que « quelque chose » doit avoir existé au préalable.

Il est pertinent de comparer ce multivers II’ au multivers inflationnaire II quant à la fiabilité scientifique des arguments.

Le premier point concerne la vraisemblance du mécanisme de formation d’univers. On sait de façon quasi-certaine que notre Univers contient des trous noirs. Nous avons la « preuve » que beaucoup de galaxies comptent un trou noir supermassif en leur centre. Par ailleurs, les étoiles massives en fin de vie doivent également former des trous noirs. Des observations récentes viennent corroborer cette prédiction. Des trous noirs primordiaux ont également pu se former directement à partir des fluctuations de densité dans les premiers instants de l’Univers. On peut en déduire une limite inférieure raisonnable d’au moins 10^18 trous noirs dans notre Univers. C’est un argument fort en faveur de cette hypothèse II’ dans la mesure où l’on peut considérer que l’existence de trous noirs est nettement plus avérée que celle d’une phase inflationnaire à l'origine du Big-Bang. De plus, on possède de sérieuses indications théoriques – à défaut d’éléments observationnels – en faveur de rebonds au coeur des trous noirs.

Même s’il est impossible de franchir l’horizon d’un trou noir et de revenir dans l’Univers parent, l’existence de trous noirs pourrait, en principe, être observée avec certitude. En revanche, la formation d’autres univers lors d’un processus d’inflation éternelle ne peut être observé, quelle que soit l’ingéniosité mise en oeuvre, puisque l’événement se déroule hors de notre horizon passé.

Ce processus dépend donc entièrement de la confiance que l’on peut estimer raisonnable d’accorder à un modèle particulier d’inflation. Des progrès ont été récemment obtenus mais un certain nombre de calculs dans le paradigme inflationnaire se fondent sur des approches semi-classiques rudimentaires (en particulier pour ce qui concerne la fonction d’onde de l’Univers) sujettes à caution. Spécifiquement, les hypothèses nécessaires au développement d’une inflation éternelle n’ont pas encore été rigoureusement vérifiées. En ce sens, on peut considérer que le multivers de niveau II est plus spéculatif que celui de niveau II’. Ce dernier, moyennant l’hypothèse d’une valeur finie pour l’invariant de Riemann120, peut être étudié en détails et il a été montré qu’un intérieur de type de Sitter (Univers en expansion) est effectivement possible au sein d’un trou noir121. La couche de transition autorise en effet un raccordement satisfaisant entre les deux métriques.
Le second point a trait à la physique impliquée dans le mécanisme de production d’univers et dans le nombre d’univers produits. L’échelle d’énergie à laquelle les univers de niveau II naissent en inflation éternelle est celle du potentiel du champ d’inflaton dans le régime où la nucléation des nouvelles zones inflationnaires prend naissance. Celle-ci se situe vraisemblablement au moins au niveau de l’échelle de grande unification (~ 1016 GeV) et peut-être à l’échelle de Planck. Il existe des théories (dont celle des cordes) qui permettent d’accéder conceptuellement à ces énergies mais peu d’indications expérimentales viennent les étayer. Au contraire, l’échelle d’énergie qui gouverne la formation des trous noirs est celle de la physique ordinaire et maîtrisée. Les processus qui président à l’évolution des étoiles et à l’explosion des supernovae sont relativement bien compris et, en tout état de cause, fondés sur de solides observations. La physique associée à la création de trous noirs-univers est donc, en un sens, mieux ancrée dans le corpus que celle du multivers inflationnaire. Demeure évidemment le mécanisme du rebond lui-même qui requiert également le recours à un certain nombre de spéculations.

Le troisième point est lié à la structure du multivers engendré. Un multivers formé par des rebonds de trous noirs s’apparente à un arbre généalogique. Chaque univers a un ancêtre et une descendance. Notre propre Univers aurait au moins enfants. Au contraire, le multivers de niveau II associé à l’inflation est plus simple : chaque univers n’a qu’un ancêtre : le vide primordial. Les univers en tant que tels n’enfantent pas. Dans le modèle de type II’ les lois (qui ne sont plus nécessairement effectives mais peuvent être fondamentales) varient légèrement d’un univers parent à un univers enfant. Les caractères sont essentiellement transmis mais des fluctuations quantiques autorisent de légères variations des constantes physiques. Ce sont ces dernières qui permettent l’hypothétique émergence d’un processus de type darwinien.
À l’évidence, cette proposition entend s’inspirer des succès du modèle de sélection naturelle dans les sciences du vivant. Il présente l’attrait d’être (au moins en principe) testable de façon relativement rigoureuse. Suivant l’hypothèse que notre monde est « typique » au sein de l’ensemble des mondes générés par le modèle, il doit être proche de l’état le plus « probable ». Or, les caractères étant transmis, il est évident que les univers générant beaucoup de trous noirs (ayant donc une abondante progéniture) sont favorisés. Nous devrions donc nous trouver dans un univers pour lequel les lois physiques sont telles que la production de trous noirs est quasi « maximale ». C’est une propriété délicate à établir mais qui pourrait permettre, au moins en droit, de falsifier le modèle.

[invite0475583c]

Rien que sur cette planète, on en dénombre plus de six milliards. Si on remonte à la source de leur arbre généalogique, on a l'archae, "mur de planck" de la biologie.

[Seirios]

Merci pour ce condensé Gilgamesh

[physikaddict]

Fantastique ! En voilà de la lecture ! Et de la bonne ! Merci Gilgamesh

[Gilgamesh]

Il manque encore les univers parallèle issus de la théorie des mondes multiples d'Everett pour faire le compte

Dans ce cas, l'univers (ainsi que l'observateur lui-même) se scinde à chaque superposition linéaire d'état quantique sans que les lois fondamentales en soient changées.

a+

[Saint-Sandouz]

Merci de cet exposé super intéressant, Gilgamesh. Ça donne à réfléchir.

ND

[noureddine2]

L'existence d'univers multiples pourrait tordre le cou du "principe anthropique fort" qui me fait penser au "dessein intelligent" à fort accent religieux. En effet s'il existe de multiples univers avec des lois physiques internes différentes il n'y a plus à se poser la question du pourquoi de la vie sur terre. C'est juste que nous avons la chance d'habiter dans un univers assez complexe pour pouvoir engendrer des formes de vie intelligentes.

salut , je ne vois pas de contradiction entre le multivers et le dessein intelligent , je pense qu'ils sont en symbiose .

[noureddine2]

pour expliquer mon idée , je suppose que depuis le big bang , à chaque instant il y ' émergence de quelque chose , à chaque instant on prend une photo de l'univers , et on remarque un changement ou une émergence , et le multivers contient toutes les options possibles ,.
je me demande pourquoi on parle de dessein intelligent seulement pour l’être vivant , et non pas pour la matière inerte qu'est ce qui oblige une planète à suivre une orbite ?
on va dire les lois , et les lois viennent du multivers ;
mais pourquoi ces lois du multivers sont constantes ?
et quelles preuves on a pour dire que nos lois physiques sont constants ?
merci .