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Article. Lee Smolin et l'hypothèse du multivers
Jean-Paul Baquiast 24/01/2015

Lee Smolin est un cosmologiste extrêmement productif. Nous avons commenté plusieurs de ses ouvrages sur ce site. Voir notamment Time reborn The trouble with physics et Three roads to quantum gravity . Dorénavant il s'en prend plus particulièrement à l'hypothèse du multivers dont il conteste à la fois le caractère scientifique et l'opportunité.

Dans un article précédant, consacré à ce thème 1), nous avions indiqué ce qui suit, en présentant son dernier ouvrage, cosigné avec Roberto Mangabeira Unger , The Singular Universe and the Reality of Time Cambridge University Press 2014:

Dans ce livre, Lee Smolin postule que l'Univers est unique et qu'il existe un Temps, également unique, dans lequel s'inscrivent les lois fondamentales de la physique et les phénomènes ayant donné naissance à notre univers.
Ces derniers mois, après avoir travaillé très étroitement avec Carlo Rovelli sur la question de la gravitation quantique à boucles,Lee Smolin est revenu plus directement à la cosmologie, en reprenant l'idée qu'il avait développée dans deux des ouvrages précités: le concept d'espace-temps einsténien n'est plus acceptable. Il faut revenir à la vieille hypothèse newtonienne et pré-newtonienne selon laquelle le temps est le référentiel absolu dans lequel s'inscrivent tous les évènements cosmologiques. Le temps est donné, rien ne peut éclairer son origine ni rien son avenir.

Ceci admis, les deux auteurs du livre montrent que le paysage cosmologique se simplifie beaucoup. Il n'y a plus lieu de parler de multivers. Il n'y a plus qu'un univers, celui dont nous observons l'existence, s'étendant à celui que nous ne pouvons pas observer directement mais dont nous pouvons légitimement supposer la présence. Mais cet univers évolue tout au long du temps.

Les lois fondamentales de la physiques évoluent elles-aussi, parallèlement à l'univers dont elles déterminent les propriétés. Si l'univers est unique et si l'on admet le concept non de Big bang (provenant de rien) mais de début de notre univers, éventuellement suivi d'inflation, il faut admettre qu'une version antérieure de cet univers existait dans un temps précédent, dotée éventuellement de lois fondamentales différentes.

On admettra également que notre univers se poursuivra dans un temps futur donné (et non pas dans un temps infini) par une nouvelle version, obéissant à son tour aux lois du moment, lesquelles auront évolué parallèlement. Comment se font les passages d'une version à l'autre, contractions suivies de réexpansions ou autrement? La cosmologie ne permet pas de répondre à cette question, mais au moins des hypothèse en ce sens pourraient être simulées en laboratoire.

La question des Singularités disparaît aussi. Le terme de Singularité désigne une situation où l'ensemble des lois fondamentales de l'univers ne s'applique plus. Mais si l'on admet que ces lois se transforment, elles continuent à s'appliquer, notamment aux origines et aux termes de chaque version de l'univers unique., tout en se transformant.

La question de la relation éventuelle entre la gravitation einsténienne et le monde quantique n'est pas abordée directement dans le livre. Autrement dit, les auteurs ne s'intéressent plus dans l'immédiat à la question de la gravitation quantique. Disons que, si la gravitation quantique à boucle pourrait être conservée, la théorie des cordes, avec ses milliards d'option possibles, serait à exclure. Beaucoup de physiciens s'en réjouiront. Les fabricants d'horloges se réjouiront également. Un bel avenir cosmologique s'ouvre devant eux ".

Aujourd'hui, dans un article publié par le New Scientist 2), Lee Smolin revient plus particulièrement sur la question du multivers. Il affirme que faire appel à ce concept consiste simplement à avouer notre ignorance du cosmos. Selon lui, aujourd'hui, la cosmologie est en crise, une crise voisine de celle qu'il avait cru précédemment pouvoir diagnostiquer dans la physique. Cette crise provient notamment du fait que des expériences de plus en plus précises permettent de proposer une histoire de l'univers, mais que dans l'effort pour leur donner des interprétations, beaucoup de cosmologistes élaborent des modèles d'univers indescriptibles dans des termes familiers aux scientifiques.

Toutes les observations suggèrent que l'univers n'a rien d'habituel, au regard des hypothèses anciennes. Il est plus plat, plus homogène, plus grand et plus vide que l'univers jusqu'ici décrit en utilisant les lois connues de la physique. En fait, il est singulier, non pas au regard d'autres univers inobservables par nous, mais d'objets construits en utilisant les lois de la physique, telles que reconnues actuellement.

Ainsi, en admettant l'hypothèse du Big Bang, à partir duquel l'univers se serait engagé dans une évolution dont nous constatons aujourd'hui les manifestations, l'univers aurait du se développer lentement, en créant en son sein des structures bien plus nombreuses et différentes que celles aujourd'hui observées. Observons pour notre part que c'est ainsi que dans le domaine biologique, la vie, partant d'organismes relativement simples et comparables, à brutalement divergé dans la grande diversité que nous connaissons aujourd'hui.

Les fausses réponses du concept d'inflation

Or tout au contraire l'univers paraît globalement homogène 3). Pourquoi? Lee Smolin rappelle que la cosmologie moderne s'accorde généralement pour attribuer l'homogénéité de l'univers à l'existence d'un phénomène qualifié d'inflation, s'étant produit dans un temps infime (quelques secondes de nos horloges) et ayant pris les proportions correspondantes à celles de l'univers observable, sinon plus étendues. Du fait de l'inflation, la fabrication de structures complexes et différentes n'a pu s'opérer, les structures initiales ne pouvant pas interagir compte tenu des distances s'étant établies brutalement entre elles.

Ainsi, dans le domaine biologique, pour reprendre notre comparaison, si une telle explosion inflationnaire s'était produite aux origines de la vie, les interactions nécessaires à la production de variabilité par les premières structures biologiques n'auraient pu se réaliser. Nous vivrions dans un monde peuplé de cellules primitives très semblables et séparées par des espaces immenses.

L'hypothèse de l'inflation avait été aux origines accueillie avec scepticisme. Cependant, ces dernières années, les fluctuations identifiées dans l'observation du fond de ciel cosmologique (CMB) grâce à des instruments de plus en plus précis, ne paraissent plus pouvoir être expliquées sans inflation. Même si la recherche par le collectif BICEP2 d'ondes gravitationnelles primordiales qui pourraient être une preuve très forte de l'inflation, n'a pas permis d'obtenir à ce jour de résultats concluants, l'hypothèse de l'inflation conserve le soutien de la majorité des cosmologistes.

Cependant, pour Lee Smolin, cette hypothèse se borne à reporter plus en amont dans le temps la question de la nature exacte de l'univers. L'inflation ne peut se produire que si préexistent des lois ajustées avec précision. Mais ces lois, en continuant de régir l'univers, devraient provoquer un emballement incontrôlé de celui-ci. Comme ce n'est pas ce que l'on peut constater, puisque l'expansion observée se poursuit actuellement de façon extrêmement contrainte, de plus en plus de cosmologistes suggèrent que, dans le cadre de ces lois, existent un nombre infini d'univers, avec une grande variété dans leurs propriétés respectives. C'est ce qu'ils nomment le multivers.

Mais pour Lee Smolin, l'infini n'a pas de sens en science expérimentale. Le concept de multivers, faisant appel à l'infini, ne permet pas de prédictions de type scientifique. Il est déjà impossible à ce jour d'observer d'autres univers que le nôtre, a fortiori une infinité d'univers. Le multivers permet de faire appel à des simulacres d'explications, permettant d'imputer tout ce que l'on ne comprend pas dans notre univers à des caractères supposés exister dans d'autres univers. Ainsi, chercher à expliquer la relative homogénéité de notre univers, actuellement constatée, ne s'imposerait plus puisque dans l'hypothèse du multivers, il ne s'agirait que de la propriété d'un univers, le notre, au sein d'une infinité d'autres univers pouvant avoir des propriétés différentes.

La cosmologie, rappelle Smolin, ne doit pas se borner à décrire ce que sont les lois de la nature, mais expliquer pourquoi ces lois sont là et pas des lois différentes. Par quels mécanismes se sont-elles formées? Si elles sont apparues lors du big bang, n'existait-il pas auparavant d'autres lois justifiant cette apparition? Il y a longtemps que la cosmologie a renoncé à l'hypothèse créationniste selon laquelle l'univers et ses lois seraient apparus d'un coup, à partir de rien. La recherche de causes antérieures susceptibles d'expliquer les phénomènes observés est le propre de la science. Il est donc indispensable d'inventer de nouvelles méthodes scientifiques et peut-être d'imaginer de nouvelles lois fondamentales permettant de produire une description de l'univers dans sa totalité.

Deux pistes

Lee Smolin rappele que, conjointement avec le philosophe Roberto Mangabeira Unger, il a dans son dernier livre, précité, proposé deux pistes permettant de sortir de la difficulté. La première sera d'abandonner l'illusion que les lois scientifiques s'appliquant à de petits sous-systèmes du monde pourraient être retrouvées à l'échelle de l'univers entier. Il parle d'une « illusion cosmologique ». Elle conduit à proposer des hypothèses invérifiables, comme en ce qui concerne le multivers.

La seconde piste sera de renoncer à ce que l'auteur nomme le « paradigme newtonien ». Selon celui-ci, un système, quel qu'il soit, pourrait être décrit par un ensemble d'états initiaux attribués à ce système puis par les lois présidant à son évolution en fonction du temps. Mais si ces données sont utilisées initialement pour décrire le système, il n'est pas possible de considérer qu'elles pourraient aussi être le résultat de son évolution. Il faut rechercher d'autres lois.

Le paradigme newtonien est utile pour décrire l'évolution d'un système dans un laboratoire, mais il perd tout sens appliqué à l'univers entier. Il n'explique pas pourquoi telles lois sont choisies parmi l'infinité de lois possibles. D'autre part, il prédit un nombre infini de faits susceptibles de se produire dans des univers non-existants.

Pour ces raisons, le multivers ne peut être considéré comme une hypothèse scientifique, même si une version sommaire de l'inflation a permis de faire certaines prédictions qui ont été vérifiées par l'observation. . Le concept d'inflation est vicié par l'impossibilité d'identifier les lois à partir desquelles les conditions initiales ont été déterminées. Pour pouvoir le faire, il faudrait traiter l'univers comme un sous-système d'un système plus grand. D'où la nécessité d'inventer le multivers. Mais alors, face à un ensemble infini d'entités aux propriétés elles-mêmes infiniment diverses, comment espérer pouvoir continuer à raisonner scientifiquement?

Trois principes


Si un nouveau paradigme devait être choisi pour expliquer l'apparition de l'univers dans sa totalité, que pourrait-il être ? Lee Smolin et Mangabeira Unger proposent trois principes susceptibles d'aborder les grandes questions cosmologiques non encore résolues, susceptibles aussi d'être vérifiés expérimentalement. Le premier est que l'univers est unique. Le second est que le Temps est une réalité, la seule réalité en fait existante. Les lois de la nature évoluent dans ce Temps, au lieu d'être figées à leur état initial. Le troisième principe pose que les mathématiques ne peuvent servir à décrire une réalité située hors du temps, mais seulement les propriétés de cet univers unique.

Ajoutons pour notre part que le livre, malgré sa grande clarté pédagogique, laisse un peu le lecteur sur sa faim. Il promet beaucoup, mais il s'agit à chaque fois de pistes à développer dans l'avenir. Que le Temps soit une réalité sera facile à admettre par beaucoup de lecteurs, car ils en ont toujours eu l'intime conviction. Que les lois fondamentales de la nature évoluent dans le temps le sera beaucoup moins. Même si l'idée n'est pas a priori inconcevable, les théoriciens multiplient les exemples montrant que des changements fussent-ils infimes dans les paramètres de ces lois rendraient l'univers tel que nous le connaissons, et tout ce qu'il contient, radicalement impossibles... d'où l'idée d'ailleurs qu'il existerait d'autres univers où des lois différentes pourraient accepter, sinon produire des univers différents du nôtre, peuplés d'autres formes de vie que la nôtre.

Par ailleurs, les principes proposées par Lee Smolin permettent-ils de comprendre à quoi correspondent des faits attribués à ce que l'on nomme pour simplifier aujourd'hui la matière noire et l'énergie noire?

Nous avons plusieurs fois sur ce site mentionné les travaux de cosmologistes tels Aurélien Barrau pour qui le multivers, sans pouvoir à proprement parler être considéré comme un fait scientifique, constitue la seule façon permettant aujourd'hui de répondre à ce que Lee Smolin qualifie de crise de la cosmologie. Nous serions intéressés de connaître les réponses qu'ils pourraient faire (ou qu'ils ont déjà faites sans que nous en ayions été informés), au livre de Lee Smolin et de Mangabeira Unger .

Notes

1) L'Univers est-il unique ? Ou non ? Et notre cerveau, quel est-il?

2) Lee Smolin. New Scientist You think there's a multiverse, Get real

3) Aujourd'hui, cette apparence d'homogénéité est de plus en plus contestée, notamment au regard de ce que l'on nomme faute de mieux la matière noire. Mais nous ne pouvons pas discuter de cette question ici.