Frapper les livres : comment découvrir la vraie nature du multivers

jeIl est difficile de décrire l’état des affaires de l’univers à l’époque où tout était compressé à une taille légèrement inférieure à la période à la fin de cette phrase – car les concepts de temps et d’espace ne s’appliquaient littéralement pas encore. Mais ce défi n’a pas empêché la pionnière de l’astrophysicienne théorique, le Dr Laura Mersini-Houghton, de rechercher des connaissances aux confins de l’univers connu et au-delà. Dans son nouveau livre, Avant le Big BangMersini-Houghton raconte ses débuts dans l’Albanie communiste, sa carrière alors qu’elle s’est fait connaître dans le domaine à prédominance masculine de l’astrophysique et discute de ses recherches sur le multivers qui pourraient fondamentalement réécrire notre compréhension de la réalité.

Extrait de Avant le Big Bang : l’origine de l’univers et ce qu’il y a au-delà par Laura Mersini-Houghton. Edité par Mariner Books. Copyright © 2022 par Laura Mersini-Houghton. Tous les droits sont réservés.

Les enquêtes scientifiques sur des problèmes comme la création de l’univers, que nous ne pouvons ni observer ni reproduire et tester dans un laboratoire, sont similaires au travail de détective en ce sens qu’elles reposent sur l’intuition ainsi que sur des preuves. Comme un détective, lorsque les pièces du puzzle commencent à se mettre en place, les chercheurs peuvent sentir intuitivement que la réponse est proche. C’était le sentiment que j’avais en tant que Rich et j’ai essayé de comprendre comment nous pourrions tester notre théorie sur le multivers. Rationnellement, cela semblait long, mais intuitivement, cela semblait réalisable.

Enfin, une solution potentielle m’a frappé. J’ai réalisé que la clé pour tester et valider cette théorie était cachée dans l’intrication quantique – parce que la décohérence et l’intrication étaient les deux faces d’une même médaille ! Je pouvais rembobiner l’histoire de la création jusqu’à ses racines de paysage quantique, lorsque notre univers ondulatoire était enchevêtré avec d’autres.

Je savais déjà que la séparation — la décohérence — des branches de la fonction d’onde de l’univers (qui devenaient alors des univers individuels) était déclenchée par leur enchevêtrement avec le bain environnemental de fluctuations. Maintenant, je me demandais si nous pouvions calculer et trouver des traces de cet enchevêtrement précoce imprimé sur notre ciel aujourd’hui.

Cela peut sembler une contradiction. Comment notre univers pourrait-il encore être enchevêtré avec tous les autres univers tous ces éons après le Big Bang ? Notre univers a dû s’en séparer dans son enfance quantique. Mais alors que je me débattais avec ces problèmes, j’ai réalisé qu’il était possible d’avoir un univers qui s’était depuis longtemps décohéré mais qui conservait également ses «bosses» infantiles – des changements mineurs de forme causés par l’interaction avec d’autres univers survivants qui avaient été empêtrés avec les nôtres pendant les premiers instants – en tant que taches de naissance identifiables. Les cicatrices de son enchevêtrement initial devraient encore être observables dans notre univers aujourd’hui.

La clé était dans le timing. Notre univers ondulatoire se décohérait à peu près au même moment où l’étape suivante, l’univers des particules, passait par sa propre inflation cosmique et commençait à exister. Tout ce que nous observons dans notre ciel aujourd’hui a été semé à partir des fluctuations primordiales produites dans ces premiers instants, qui ont lieu à la plus petite des unités de temps mesurables, bien moins d’une seconde. En principe, pendant ces moments où l’enchevêtrement s’effaçait, ses signatures auraient pu être imprimées sur l’inflaton et ses fluctuations. Il y avait une chance que le genre de cicatrices que j’imaginais se soient formées pendant cette brève période. Et s’ils l’avaient fait, ils devraient être visibles dans le ciel.

Comprendre comment les cicatrices se sont formées à partir de l’enchevêtrement est moins compliqué que vous ne l’imaginez. J’ai commencé par essayer de créer une image mentale de la cicatrisation de notre ciel par l’enchevêtrement. J’ai visualisé tous les univers survivants des branches de la fonction d’onde de l’univers, y compris la nôtre, comme un tas de particules réparties autour du multivers quantique. Parce qu’ils contiennent tous de la masse et de l’énergie, ils interagissent les uns avec les autres gravitationnellement, tout comme la pomme de Newton avait sa trajectoire courbée en interagissant avec la masse de la Terre, la guidant ainsi vers le sol. Cependant, la pomme était également tirée par la lune, le soleil, toutes les autres planètes de notre système solaire et toutes les étoiles de l’univers. La masse de la Terre a la force la plus forte, mais cela ne signifie pas que ces autres forces n’existent pas. L’effet net que l’enchevêtrement a laissé sur notre ciel est capturé par l’attraction combinée sur notre univers par d’autres univers infantiles. Semblable à la faible traction des étoiles sur la célèbre pomme, à l’heure actuelle, les signes d’intrication dans notre univers sont incroyablement petits par rapport aux signes de l’inflation cosmique. Mais ils sont toujours là !

Je l’admets… J’étais excité par la simple pensée que j’avais potentiellement un moyen d’entrevoir au-delà de notre horizon et avant le Big Bang ! Grâce à ma proposition de calcul et de suivi de l’intrication dans notre ciel, j’ai très bien pu trouver, pour la toute première fois, une manière de tester le multivers. Ce qui m’a le plus enthousiasmé à propos de cette idée était son potentiel pour rendre possible ce que pendant des siècles nous pensions être impossible – une fenêtre d’observation pour entrevoir dans l’espace et dans le temps au-delà de notre univers dans le multivers. Notre univers en expansion offre le meilleur laboratoire cosmique pour traquer les informations sur ses débuts car tout ce que nous observons à grande échelle dans notre univers aujourd’hui était également présent à ses débuts. Les éléments de base de notre univers ne disparaissent pas avec le temps ; ils redimensionnent simplement leur taille avec l’expansion de l’univers.

Et voici pourquoi j’ai pensé à utiliser l’intrication quantique comme test décisif pour notre théorie : la théorie quantique contient un principe quasi sacré appelé « unitarité », qui stipule qu’aucune information sur un système ne peut jamais être perdue. L’unitarité est une loi de conservation de l’information. Cela signifie que les signes de l’enchevêtrement quantique antérieur de notre univers avec les autres univers survivants doivent encore exister aujourd’hui. Ainsi, malgré la décohérence, l’intrication ne pourra jamais être effacée de la mémoire de notre univers ; il est stocké dans son ADN d’origine. De plus, ces signes sont encodés dans notre ciel depuis ses débuts, depuis le temps où l’univers a commencé comme une vague sur le paysage. Les traces de cet enchevêtrement antérieur s’étendraient simplement avec l’expansion de l’univers alors que l’univers devenait une version beaucoup plus grande de son moi infantile.

Je craignais que ces signatures, qui ont été étirées par l’inflation et l’expansion de l’univers, ne soient assez faibles. Mais sur la base de l’unitarité, je croyais que si faibles qu’elles fussent, elles se conservaient quelque part dans notre ciel sous la forme de violations locales ou de déviations de l’uniformité et de l’homogénéité prédites par l’inflation cosmique.

Rich et moi avons décidé de calculer l’effet de l’intrication quantique sur notre univers pour savoir s’il restait des traces, puis de les faire avancer rapidement de la petite enfance au présent et de dériver des prédictions sur le type de cicatrices que nous devrions rechercher dans notre ciel. . Si nous pouvions identifier où nous devions les chercher, nous pourrions les tester en les comparant avec des observations réelles.

Rich et moi avons commencé cette enquête avec l’aide d’un physicien de Tokyo, Tomo Takahashi. J’ai rencontré Tomo pour la première fois à l’UNC Chapel Hill en 2004, lorsque nous nous sommes chevauchés d’un an. Il était postdoc sur le point de prendre un poste de professeur au Japon, et je venais d’arriver à l’UNC. Nous avons aimé interagir et j’ai vu les normes élevées que Tomo maintenait pour son travail et son incroyable souci du détail. Je savais qu’il connaissait le programme de simulation informatique dont nous avions besoin pour comparer les prédictions basées sur notre théorie avec les données réelles sur la matière et les signatures de rayonnement dans l’univers. En 2005, j’ai appelé Tomo, et il a accepté de collaborer avec nous.

Rich, Tomo et moi avons décidé que le meilleur endroit pour commencer notre recherche était dans le CMB – le fond cosmique des micro-ondes, la rémanence du Big Bang. CMB est la lumière la plus ancienne de l’univers, un « éther » universel qui imprègne tout le cosmos tout au long de son histoire. En tant que tel, il contient une sorte d’enregistrement exclusif de la première milliseconde de la vie de l’univers. Et ce témoin silencieux de la création est encore tout autour de nous aujourd’hui, ce qui en fait un laboratoire cosmique inestimable.

L’énergie des photons CMB dans notre univers actuel est assez faible ; leurs fréquences culminent autour de la gamme des micro-ondes (160 gigahertz), un peu comme les photons dans le micro-ondes de votre cuisine lorsque vous réchauffez vos aliments. Trois grandes expériences scientifiques internationales – les satellites COBE, WMAP et Planck (avec un quatrième en route), datant des années 1990 à nos jours – ont mesuré le CMB et ses fluctuations beaucoup plus faibles avec une précision exquise. Nous rencontrons même des photons CMB ici sur Terre. En effet, voir et entendre CMB était une expérience quotidienne à l’ère des anciens téléviseurs : lors du changement de chaîne, le téléspectateur ressentait le signal CMB sous forme de statique – les taches grises et blanches floues et bourdonnantes qui apparaissaient sur le téléviseur. filtrer.

Mais si notre univers est né uniquement de l’énergie, que pouvons-nous voir dans les photons du CMB qui nous donnent une image naissante de l’univers ? Ici, la théorie quantique, en particulier le principe d’incertitude de Heisenberg, fournit la réponse. Selon le principe d’incertitude, l’incertitude quantique, exprimée sous forme de fluctuations de l’énergie initiale de l’inflation, est inévitable. Lorsque l’univers cesse de se gonfler, il est soudainement rempli d’ondes de fluctuations quantiques de l’énergie de l’inflation. Toute la gamme des fluctuations, certaines avec masse et d’autres sans masse, sont connues sous le nom de perturbations de densité. Les ondes les plus courtes de ce spectre, celles qui rentrent dans l’univers, deviennent des photons ou des particules, selon leur masse (reflétant le phénomène de dualité onde-particule).

Les minuscules tremblements dans le tissu de l’univers qui induisent de faibles ondulations ou vibrations dans le champ gravitationnel, ce que l’on appelle les ondes gravitationnelles primordiales, contiennent des informations sur le modèle particulier d’inflation qui a eu lieu. Ils sont incroyablement petits, à une partie sur environ dix milliards de la force du spectre CMB, et sont donc beaucoup plus difficiles à observer. Mais ils sont conservés dans le CMB.