En 1988, le livre record de Stephen Hawking, Une brève histoire du temps, a présenté les idées de ce remarquable physicien théoricien aux lecteurs du monde entier. Et voici un nouvel événement important : Hawking est de retour ! La suite magnifiquement illustrée, The World in a Nutshell, révèle les découvertes scientifiques réalisées depuis la publication de son premier livre, largement acclamé.

Hawking, l'un des scientifiques les plus brillants de notre époque, connu non seulement pour l'audace de ses idées mais aussi pour la clarté et l'esprit de son expression, nous emmène à la pointe de la recherche, là où la vérité semble plus étrange que la fiction, pour expliquer en en termes simples, les principes qui régissent l'univers.

Comme de nombreux physiciens théoriciens, Hawking aspire à trouver le Saint Graal de la science : la théorie du tout, qui est à la base du cosmos. Il nous permet de toucher aux secrets de l'univers : de la supergravité à la supersymétrie, de la théorie quantique à la théorie M, de l'holographie aux dualités. Ensemble, nous nous embarquons dans une aventure fascinante alors qu'il parle de ses tentatives pour créer, basée sur la théorie de la relativité générale d'Einstein et l'idée d'histoires multiples de Richard Feynman, une théorie unifiée complète qui décrirait tout ce qui se passe dans l'Univers.

Nous l'accompagnons dans un voyage extraordinaire à travers l'espace-temps, et de magnifiques illustrations en couleurs servent de repères à ce voyage à travers un pays des merveilles surréaliste, où particules, membranes et cordes se déplacent dans onze dimensions, où les trous noirs s'évaporent en emportant avec eux leurs secrets, et où la graine cosmique à partir de laquelle notre Univers a grandi était une petite noix.

STEPHEN HAWKING
L'Univers en quelques mots
Traduit de l'anglais par A. G. Sergeev
La publication a été préparée avec le soutien de la Fondation Dynasty de Dmitry Zimin.
SPb : Amphore. TID Amphore, 2007. - 218 p.

Chapitre 5. Protéger le passé

Sur la question de savoir si le voyage dans le temps est possible et si une civilisation hautement développée, retournant dans le passé, est capable de le changer

Parce que Stephen Hawking (qui a perdu un précédent pari sur cette question en généralisant ses exigences) reste fermement convaincu que les singularités nues sont maudites et devraient être interdites par les lois de la physique classique, et parce que John Preskill et Kip Thorne (qui ont remporté le précédent pari) - croient toujours que des singularités nues en tant qu'objets gravitationnels quantiques peuvent exister, sans être couvertes par l'horizon, dans l'Univers observable, a proposé Hawking, et Preskill/Thorne a accepté le pari suivant :

Puisque toute forme de matière ou de champ classique incapable de devenir singulière dans un espace-temps plat obéit aux équations classiques de la théorie de la relativité générale d'Einstein, l'évolution dynamique à partir de n'importe quelle condition initiale (c'est-à-dire à partir de n'importe quel ensemble ouvert de données initiales) ne peut jamais générer un singularité nue (géodésique nulle incomplète de I + avec point final dans le passé).

Le perdant récompense le gagnant avec des vêtements afin qu'il puisse couvrir sa nudité. Les vêtements doivent être brodés d'un message approprié à l'occasion.

Mon ami et collègue Kip Thorne, avec qui j'ai fait de nombreux paris (toujours actif), ne fait pas partie de ceux qui suivent la ligne généralement admise en physique simplement parce que tout le monde le fait. Il est donc devenu le premier scientifique sérieux à oser discuter du voyage dans le temps comme d’une possibilité pratique.

Parler ouvertement du voyage dans le temps est un sujet très sensible. Vous risquez d’être induit en erreur soit par des appels bruyants à investir l’argent du budget dans des absurdités, soit par des exigences visant à classer la recherche à des fins militaires. Vraiment, comment pouvons-nous nous protéger de quelqu’un qui possède une machine à voyager dans le temps ? Après tout, il est capable de changer l’histoire elle-même et de gouverner le monde. Peu d’entre nous sont assez téméraires pour travailler sur une question considérée comme politiquement incorrecte par les physiciens. Nous masquons ce fait avec des termes techniques qui codent le voyage dans le temps.

La base de toutes les discussions modernes sur le voyage dans le temps est la théorie générale de la relativité d’Einstein. Comme nous l'avons vu dans les chapitres précédents, les équations d'Einstein dynamisent l'espace et le temps en décrivant la manière dont ils sont courbés et déformés par la matière et l'énergie de l'univers. En relativité générale, le temps personnel de chacun, mesuré par une montre-bracelet, augmentera toujours, tout comme dans la théorie de Newton ou dans l'espace-temps plat de la relativité restreinte. Mais peut-être que l'espace-temps sera tellement déformé que vous pourrez vous envoler sur un vaisseau spatial et revenir avant votre départ (Fig. 5.1).

Par exemple, cela peut se produire s’il existe des trous de ver – les tubes spatio-temporels mentionnés au chapitre 4 qui relient différentes régions de celui-ci. L’idée est d’envoyer un vaisseau spatial dans une bouche d’un trou de ver et d’émerger d’une autre dans un lieu et à un moment complètement différents (Fig. 5.2).

Les trous de ver, s'ils existent, pourraient résoudre le problème de la limitation de vitesse dans l'espace : selon la théorie de la relativité, il faut des dizaines de milliers d'années pour traverser la Galaxie. Mais à travers un trou de ver, vous pouvez voler de l'autre côté de la Galaxie et revenir pendant le dîner. En attendant, il est facile de montrer que si des trous de ver existent, ils peuvent être utilisés pour se retrouver dans le passé.

Cela vaut donc la peine de réfléchir à ce qui se passera si vous parvenez, par exemple, à faire exploser votre fusée sur la rampe de lancement afin d’empêcher votre propre vol. Il s’agit d’une variante du célèbre paradoxe : que se passerait-il si vous remontiez le temps et tuiez votre propre grand-père avant qu’il ne puisse concevoir votre père (figure 5.3) ?

Bien sûr, le paradoxe ne surgit ici que si l’on suppose que, une fois dans le passé, on peut faire ce qu’on veut. Ce livre n’est pas le lieu pour des discussions philosophiques sur le libre arbitre. Au lieu de cela, nous nous concentrerons sur la question de savoir si les lois de la physique permettent de tordre l’espace-temps afin qu’un corps macroscopique comme un vaisseau spatial puisse retourner à son passé. Selon la théorie d'Einstein, un vaisseau spatial se déplace toujours à une vitesse inférieure à la vitesse locale de la lumière dans l'espace-temps et suit la ligne du monde dite temporelle. Cela nous permet de reformuler la question en termes techniques : peut-il exister dans l’espace-temps des courbes fermées de type temps, c’est-à-dire celles qui reviennent encore et encore à leur point de départ ? J’appellerai de telles trajectoires « temporelles » s mes boucles.

Vous pouvez chercher une réponse à la question posée à trois niveaux. Le premier est le niveau de la théorie de la relativité générale d’Einstein, qui implique que l’Univers a une histoire clairement définie et sans aucune incertitude. Pour cette théorie classique, nous avons une image complète. Cependant, comme nous l’avons vu, une telle théorie ne peut pas être absolument exacte, car, selon les observations, la matière est soumise à des incertitudes et à des fluctuations quantiques.

On peut donc poser la question du voyage dans le temps au deuxième niveau – dans le cas des théories semi-classiques. Nous considérons maintenant le comportement de la matière selon la théorie quantique avec des incertitudes et des fluctuations quantiques, mais nous considérons l'espace-temps comme bien défini et classique. Ce tableau n’est pas aussi complet, mais il donne au moins une idée de la manière de procéder.

Enfin, il existe une approche du point de vue d’une théorie quantique complète de la gravité, quelle qu’elle soit. Dans cette théorie, où non seulement la matière, mais aussi le temps et l'espace eux-mêmes sont sujets à l'incertitude et fluctuent, on ne sait même pas exactement comment poser la question de la possibilité d'un voyage dans le temps. Le mieux que l’on puisse faire est peut-être de demander aux habitants des régions où l’espace-temps est presque classique et exempt d’incertitudes d’interpréter leurs mesures. Vont-ils voyager dans le temps dans des régions à forte gravité et à grandes fluctuations quantiques ?

Commençons par la théorie classique : l'espace-temps plat de la théorie de la relativité restreinte (sans gravité) ne permet pas le voyage dans le temps ; cela est également impossible dans les versions courbes de l'espace-temps qui ont été étudiées au début. Einstein fut littéralement choqué lorsqu'en 1949 Kurt Gödel, celui-là même qui prouva le célèbre théorème de Gödel, découvrit que l'espace-temps dans un univers entièrement rempli de matière en rotation avait un effet temporaire. àème boucle en chaque point (Fig. 5.4).

La solution de Gödel nécessitait l'introduction d'une constante cosmologique, qui n'existe peut-être pas dans la réalité, mais des solutions similaires ont été trouvées plus tard sans constante cosmologique. Un cas particulièrement intéressant est celui où deux cordes cosmiques se croisent à grande vitesse.

Les cordes cosmiques ne doivent pas être confondues avec les objets élémentaires de la théorie des cordes, avec lesquels elles n'ont aucun rapport. De tels objets ont une extension, mais ont en même temps une petite section transversale. Leur existence est prédite dans certaines théories des particules élémentaires. L'espace-temps en dehors d'une seule corde cosmique est plat. Cependant, cet espace-temps plat présente une découpe en forme de coin dont le sommet repose juste sur la corde. Cela ressemble à un cône : prenez un grand cercle de papier et découpez-y un secteur, comme un morceau de tarte, dont le haut se situe au centre du cercle. Après avoir retiré le morceau coupé, collez les bords de la coupe sur la partie restante - vous obtiendrez un cône. Il représente l'espace-temps dans lequel existe la corde cosmique (Fig. 5.5).

Notez que puisque la surface du cône est toujours la même feuille de papier plate avec laquelle nous avons commencé (moins le secteur supprimé), elle peut toujours être considérée comme plate, sauf pour le haut. La présence d'une courbure au sommet peut être révélée par le fait que les cercles décrits autour de celui-ci sont plus courts que les cercles situés à la même distance du centre sur la feuille de papier ronde originale. En d'autres termes, le cercle autour du sommet est plus court qu'un cercle de même rayon ne devrait l'être dans un espace plat en raison du secteur manquant (Fig. 5.6).

De même, un secteur éloigné de l’espace-temps plat raccourcit les cercles autour de la corde cosmique, mais n’affecte pas le temps ou la distance le long de celle-ci. Cela signifie que l'espace-temps autour d'une chaîne cosmique individuelle ne contient pas de temps. s x boucles, et donc voyager dans le passé est impossible. Cependant, s’il existe une deuxième corde cosmique qui se déplace par rapport à la première, sa direction temporelle sera une combinaison des changements temporels et spatiaux de la première. Cela signifie que le secteur coupé par la deuxième corde réduira à la fois les distances dans l'espace et les intervalles de temps pour l'observateur qui se déplace avec la première corde (Fig. 5.7). Si les cordes se déplacent les unes par rapport aux autres à une vitesse proche de la vitesse de la lumière, la réduction du temps nécessaire pour faire le tour des deux cordes peut être si importante que vous vous retrouvez avant d'avoir commencé. En d'autres termes, il y a des temporaires s Des boucles le long desquelles vous pourrez voyager dans le passé.

Les cordes cosmiques contiennent de la matière qui a une densité d’énergie positive, ce qui est cohérent avec la physique connue aujourd’hui. Cependant, la torsion de l'espace, qui donne naissance à des s e boucles, s'étend à l'infini dans l'espace et au passé sans fin dans le temps. Ainsi, de telles structures spatio-temporelles permettent initialement, par construction, la possibilité de voyager dans le temps. Il n’y a aucune raison de croire que notre propre Univers soit conçu selon un style aussi pervers ; nous n’avons aucune preuve fiable de l’apparition d’invités du futur. (Je ne compte pas les théories du complot selon lesquelles les ovnis viendraient du futur et que le gouvernement est au courant mais cache la vérité. Ils cachent généralement des choses qui ne sont pas si géniales.) Je vais donc supposer que cela est temporaire. s Les boucles x n'existaient pas dans un passé lointain, ou plus précisément, dans le passé par rapport à une surface de l'espace-temps, que je désignerai S. Question : une civilisation hautement développée peut-elle construire une machine à voyager dans le temps ? Autrement dit, peut-il changer l'espace-temps dans le futur par rapport à S(au-dessus de la surface S sur le schéma) pour que les boucles n'apparaissent que dans la zone de taille finie ? Je parle d’une zone finie car, quel que soit le degré d’avancée d’une civilisation, elle semble pouvoir contrôler seulement une partie limitée de l’univers. En science, formuler correctement un problème signifie souvent trouver la clé de sa solution, et le cas que nous étudions en est une bonne illustration. Pour la définition d'une machine à temps fini, je me tournerai vers l'un de mes anciens ouvrages. Le voyage dans le temps est possible dans certaines régions de l'espace-temps où se trouvent des s e boucles, c'est-à-dire des trajectoires avec une vitesse de mouvement sub-lumineuse, qui parviennent néanmoins à revenir au lieu et au temps d'origine en raison de la courbure de l'espace-temps. Depuis que j'ai supposé que dans un passé lointain, temporaire s x il n'y avait pas de boucles, il doit exister, comme je l'appelle, un « horizon de voyage dans le temps » - une frontière qui sépare la zone contenant le temps s e boucles, à partir de la zone où elles ne sont pas (Fig. 5.8).

L’horizon du voyage dans le temps est assez similaire à l’horizon d’un trou noir. Alors que ce dernier est formé par des rayons lumineux qui sont à deux doigts de s'échapper d'un trou noir, l'horizon du voyage dans le temps est défini par des rayons qui sont sur le point de se rencontrer. De plus, je considérerai que le critère d'une machine à voyager dans le temps est la présence d'un horizon dit de génération finie, c'est-à-dire formé de rayons lumineux émis depuis une région de taille limitée. En d’autres termes, ils ne doivent pas provenir de l’infini ou de la singularité, mais seulement d’une région finie contenant des éléments temporaires. à la boucle, une zone que nous supposons que notre civilisation hautement développée sera capable de créer.

Avec l’acceptation de ce critère de la machine à voyager dans le temps, il existe une merveilleuse opportunité d’utiliser les méthodes que Roger Penrose et moi avons développées pour étudier les singularités et les trous noirs. Même sans utiliser les équations d'Einstein, je peux montrer qu'en général, un horizon de génération finie contiendra des rayons lumineux qui se rencontrent, continuant à revenir encore et encore au même point. Au fur et à mesure qu'elle tourne, la lumière subira à chaque fois un décalage vers le bleu de plus en plus important et les images deviendront de plus en plus bleues. Les bosses d'ondes dans le faisceau commenceront à se rapprocher de plus en plus les unes des autres, et les intervalles par lesquels la lumière revient deviendront de plus en plus courts. En fait, une particule de lumière aura une histoire finie lorsqu’elle est considérée dans son propre temps, même si elle parcourt des cercles dans une région finie et n’atteint pas le point de courbure singulier.

Le fait qu’une particule de lumière épuise son histoire dans un temps fini peut sembler sans importance. Mais je peux aussi prouver la possibilité de l'existence de lignes du monde, dont la vitesse de déplacement est inférieure à la lumière et dont la durée est finie. Il pourrait s'agir d'histoires d'observateurs capturés dans une région finie devant l'horizon et se déplaçant, encore et encore, de plus en plus vite, jusqu'à ce qu'ils atteignent la vitesse de la lumière dans un laps de temps fini. Alors, si un bel extraterrestre provenant d'une soucoupe volante vous invite dans sa machine à voyager dans le temps, soyez prudent. Vous pouvez tomber dans le piège de répéter des histoires d’une durée totale finie (Figure 5.9).

Ces résultats ne dépendent pas de l'équation d'Einstein, mais uniquement de la manière dont l'espace-temps est déformé pour produire le temps. Ôème boucles dans la région finale. Mais quel type de matériau une civilisation hautement développée pourrait-elle utiliser pour construire une machine à remonter le temps de dimensions finies ? Pourrait-il avoir une densité d’énergie positive partout, comme c’est le cas avec l’espace-temps de corde cosmique décrit ci-dessus ? La corde cosmique ne satisfait pas à mon exigence selon laquelle s Les boucles ne sont apparues que dans la région finale. Mais on pourrait penser que cela est dû uniquement au fait que les cordes ont une longueur infinie. Quelqu'un pourrait espérer construire une machine à voyager dans le temps en utilisant des boucles finies de cordes cosmiques qui ont des densités d'énergie positives partout. Désolé de décevoir les gens qui, comme Kip, souhaitent remonter le temps, mais cela ne peut se faire en conservant une densité d'énergie positive partout. Je peux prouver que pour construire la machine à remonter le temps ultime, vous aurez besoin d'énergie négative.

Dans la théorie classique, la densité d’énergie est toujours positive, donc l’existence d’une machine à temps fini à ce niveau est exclue. Mais la situation change dans la théorie semi-classique, où le comportement de la matière est considéré conformément à la théorie quantique et où l'espace-temps est considéré comme classique et bien défini. Comme nous l’avons vu, le principe d’incertitude de la théorie quantique signifie que les champs fluctuent toujours de haut en bas, même dans un espace apparemment vide, et ont une densité d’énergie infinie. Après tout, ce n’est qu’en soustrayant une valeur infinie que nous obtenons la densité d’énergie finie que nous observons dans l’Univers. Cette soustraction peut également produire une densité énergétique négative, au moins localement. Même dans un espace plat, on peut trouver des états quantiques dans lesquels la densité d’énergie est localement négative, bien que l’énergie globale soit positive. Je me demande si ces valeurs négatives provoquent réellement une courbure de l'espace-temps de sorte qu'une machine à temps fini apparaisse ? Il semble qu’ils devraient mener à cela. Comme le montre clairement le chapitre 4, les fluctuations quantiques signifient que même un espace apparemment vide est rempli de paires de particules virtuelles qui apparaissent ensemble, se séparent, puis convergent à nouveau et s'annihilent (Fig. 5.10). L'un des éléments de la paire virtuelle aura une énergie positive et l'autre aura une énergie négative. S'il y a un trou noir, une particule avec une énergie négative peut y tomber et une particule avec une énergie positive peut s'envoler vers l'infini, où elle apparaîtra comme un rayonnement transportant l'énergie positive loin du trou noir. Et les particules à énergie négative tombant dans un trou noir entraîneront une diminution de sa masse et une lente évaporation, accompagnées d'une diminution de la taille de l'horizon (Fig. 5.11).

La matière ordinaire avec une densité d'énergie positive génère une force gravitationnelle attractive et plie l'espace-temps de sorte que les rayons se tournent les uns vers les autres, tout comme la balle sur la feuille de caoutchouc du chapitre 2 tourne toujours la petite balle vers elle-même et ne s'éloigne jamais.

Il s'ensuit que la superficie de l'horizon du trou noir ne fait qu'augmenter avec le temps et ne diminue jamais. Pour que l’horizon d’un trou noir rétrécisse, la densité d’énergie à l’horizon doit être négative et l’espace-temps doit provoquer la divergence des rayons lumineux. Je m'en suis rendu compte pour la première fois une nuit en me couchant, peu de temps après la naissance de ma fille. Je ne dirai pas exactement combien de temps c’était, mais maintenant j’ai déjà un petit-fils.

L’évaporation des trous noirs montre qu’au niveau quantique, la densité d’énergie peut parfois être négative et plier l’espace-temps dans la direction qui serait nécessaire pour construire une machine à voyager dans le temps. Il est donc possible d’imaginer une civilisation à un stade de développement si élevé qu’elle soit capable d’atteindre une densité d’énergie négative suffisamment importante pour obtenir une machine à voyager dans le temps qui conviendrait aux objets macroscopiques comme les vaisseaux spatiaux. Cependant, il existe une différence significative entre l’horizon d’un trou noir, formé de rayons de lumière qui ne cessent de se déplacer, et l’horizon d’une machine à voyager dans le temps, qui contient des rayons de lumière fermés qui continuent de tourner en rond. Une particule virtuelle se déplaçant encore et encore le long d’un chemin aussi fermé amènerait son énergie fondamentale au même point. Il faut donc s’attendre à ce qu’à l’horizon, c’est-à-dire à la frontière de la machine à voyager dans le temps – la zone dans laquelle vous pouvez voyager dans le passé – la densité énergétique soit infinie. Ceci est confirmé par des calculs exacts dans un certain nombre de cas particuliers, suffisamment simples pour permettre d'obtenir une solution exacte. Il s'avère qu'une personne ou une sonde spatiale qui tente de traverser l'horizon et d'entrer dans la machine à voyager dans le temps sera complètement détruite par le rideau de rayonnement (Fig. 5.12). L’avenir du voyage dans le temps s’annonce donc assez sombre (ou devrions-nous dire incroyablement brillant ?).

La densité d'énergie d'une substance dépend de l'état dans lequel elle se trouve, alors peut-être qu'une civilisation très développée sera capable de rendre finie la densité d'énergie aux limites de la machine à voyager dans le temps en « gelant » ou en supprimant les particules virtuelles qui se déplacent et se déplacent. tourner en boucle fermée. Il n'y a cependant aucune certitude qu'une telle machine à voyager dans le temps soit stable : la moindre perturbation, par exemple quelqu'un traversant l'horizon pour entrer dans la machine à voyager dans le temps, peut déclencher la circulation de particules virtuelles et provoquer des éclairs incinérants. Les physiciens devraient discuter de cette question librement, sans craindre d’être ridiculisés avec mépris. Même s’il s’avère que le voyage dans le temps est impossible, nous comprendrons pourquoi c’est impossible, et c’est important.

Afin de répondre avec certitude à la question en discussion, nous devons considérer les fluctuations quantiques non seulement des champs matériels, mais aussi de l’espace-temps lui-même. On peut s'attendre à ce que cela provoque une certaine confusion dans les trajectoires des rayons lumineux et dans le principe d'ordre chronologique en général. En fait, on peut considérer le rayonnement du trou noir comme une fuite provoquée par des fluctuations quantiques dans l’espace-temps, qui indiquent que l’horizon n’est pas bien défini. Comme nous n’avons pas encore de théorie toute faite de la gravité quantique, il est difficile de dire quel devrait être l’effet des fluctuations de l’espace-temps. Néanmoins, nous pouvons espérer tirer quelques indices du résumé de l’histoire de Feynman décrit au chapitre 3.

Chaque histoire sera un espace-temps courbe contenant des champs matériels. Puisque nous allons additionner toutes les histoires possibles, et pas seulement celles qui satisfont à certaines équations, la somme doit également inclure les espaces-temps suffisamment tordus pour permettre un voyage dans le passé (Figure 5.13). La question se pose alors : pourquoi de tels voyages n’ont-ils pas lieu partout ? La réponse est que le voyage dans le temps se produit en réalité à une échelle microscopique, mais nous ne le remarquons pas. Si nous appliquons l'idée de Feynman de sommation des histoires à une seule particule, alors nous devons inclure des histoires dans lesquelles elle se déplace plus vite que la lumière et même recule dans le temps. Il y aura notamment des histoires dans lesquelles la particule se déplace en boucle dans le temps et dans l’espace. Comme dans le film « Groundhog Day », où le journaliste vit encore et encore les mêmes jours (Fig. 5.14).

Les particules ayant un tel historique en boucle fermée ne peuvent pas être observées dans les accélérateurs. Cependant, leurs effets secondaires peuvent être mesurés en observant un certain nombre d’effets expérimentaux. L’une d’entre elles est un léger changement dans le rayonnement émis par les atomes d’hydrogène, provoqué par le déplacement des électrons en boucles fermées. L'autre est une petite force agissant entre des plaques métalliques parallèles et provoquée par le fait qu'un peu moins de boucles fermées sont placées entre elles que dans les régions extérieures - il s'agit d'un autre traitement équivalent de l'effet Casimir. Ainsi, l’existence d’histoires fermées en boucle est confirmée par l’expérience (Fig. 5.15).

On peut se demander si de telles histoires de particules en boucle ont quelque chose à voir avec la courbure de l’espace-temps, puisqu’elles apparaissent même sur un fond aussi immuable que l’espace plat. Mais ces dernières années, nous avons découvert que les phénomènes physiques ont souvent des descriptions doubles tout aussi valables. Il est également possible de dire que les particules se déplacent en boucles fermées sur un fond constant, ou qu’elles restent immobiles alors que l’espace-temps fluctue autour d’elles. Cela revient à la question : voulez-vous faire la somme sur les trajectoires des particules d'abord, puis sur des espaces-temps courbes, ou vice versa ?

Ainsi, la théorie quantique semble permettre de voyager dans le temps à une échelle microscopique. Mais à des fins de science-fiction, comme remonter le temps et tuer son grand-père, cela ne sert à rien. Par conséquent, la question demeure : la probabilité, lorsqu’elle est additionnée sur des histoires, peut-elle atteindre un maximum sur des espaces-temps avec des boucles temporelles macroscopiques ?

Cette question peut être explorée en considérant les sommes sur l’histoire des champs matériels sur une séquence d’espaces-temps d’arrière-plan qui se rapprochent de plus en plus de l’autorisation de boucles temporelles. Il serait naturel de s'attendre à ce qu'au moment où des UN Lorsque la boucle apparaît pour la première fois, quelque chose d'important est sur le point de se produire. C'est exactement ce qui s'est passé dans un exemple simple que j'ai étudié avec mon élève Michael Cassidy.

Les espaces-temps de fond que nous avons étudiés étaient étroitement liés à ce qu'on appelle l'univers d'Einstein, un espace-temps proposé par Einstein alors qu'il croyait encore que l'univers était statique et immuable dans le temps, sans expansion ni contraction (voir chapitre 1). Dans l'univers d'Einstein, le temps passe d'un passé infini à un futur infini. Mais les dimensions spatiales sont finies et fermées sur elles-mêmes, comme la surface de la Terre, mais avec seulement une dimension supplémentaire. Un tel espace-temps peut être représenté comme un cylindre dont l'axe longitudinal sera le temps et la section transversale sera l'espace à trois dimensions (Fig. 5.16).

Puisque l’univers d’Einstein n’est pas en expansion, il ne correspond pas à l’univers dans lequel nous vivons. Cependant, il s’agit d’un cadre utile pour discuter du voyage dans le temps, car il est suffisamment simple pour permettre de résumer les histoires. Oublions un instant le voyage dans le temps et considérons la matière dans l'univers d'Einstein, qui tourne autour d'un certain axe. Si vous vous trouvez sur cet axe, vous resterez au même point de l'espace, comme si vous vous trouviez au centre d'un carrousel pour enfants. Mais en vous éloignant de l’axe, vous vous déplacerez dans l’espace qui l’entoure. Plus vous vous éloignez de l'axe, plus votre mouvement sera rapide (Fig. 5.17). Ainsi, si l’univers est infini dans l’espace, les points suffisamment éloignés de l’axe tourneront à des vitesses supraluminiques. Mais comme l'univers d'Einstein est limité en dimensions spatiales, il existe une vitesse de rotation critique à laquelle aucune partie de l'univers ne tournera encore plus vite que la lumière.

Considérons maintenant la somme des histoires d'une particule dans l'univers en rotation d'Einstein. Lorsque la rotation est lente, une particule peut emprunter de nombreux chemins pour une quantité d’énergie donnée. Par conséquent, la sommation de tous les historiques d’une particule dans un tel contexte donne une grande amplitude. Cela signifie que la probabilité d’un tel arrière-plan, une fois additionnée à toutes les histoires d’espace-temps courbe, sera élevée, c’est-à-dire qu’il s’agit de l’une des histoires les plus probables. Cependant, à mesure que la vitesse de rotation de l'univers d'Einstein approche d'un point critique et que la vitesse de déplacement de ses régions extérieures tend vers la vitesse de la lumière, il ne reste plus qu'un seul chemin autorisé. Et m pour les particules classiques aux confins de l'univers, à savoir le mouvement à la vitesse de la lumière. Cela signifie que la somme des histoires de la particule sera faible, ce qui signifie que les probabilités d'un tel phénomène spatiotemporel s x arrière-plans au total pour toutes les histoires d'espace-temps courbes seront faibles. Autrement dit, ils seront les moins probables.

Mais qu'est-ce que le voyage dans le temps a à voir avec s m les boucles ont-elles les univers tournants d'Einstein ? La réponse est qu’ils sont mathématiquement équivalents à d’autres milieux dans lesquels des boucles temporelles sont possibles. Ces autres arrière-plans sont des univers qui s'étendent dans deux directions spatiales. De tels univers ne s’étendent pas dans la troisième direction spatiale, qui est périodique. Autrement dit, si vous parcourez une certaine distance dans cette direction, vous arriverez là où vous avez commencé. Cependant, à chaque cercle dans cette direction, votre vitesse dans les première et deuxième directions augmentera (Fig. 5.18).

Si l'accélération est faible, alors temporairement s Les boucles x n'existent pas. Considérons cependant une séquence d'arrière-plans avec tous les b Ô une plus grande augmentation de la vitesse. Des boucles temporelles apparaissent à une certaine valeur d'accélération critique. Il n'est pas surprenant que cette accélération critique corresponde à la vitesse critique de rotation des univers d'Einstein. Puisque le calcul de la somme des historiques sur ces deux fonds est mathématiquement équivalent, nous pouvons conclure que la probabilité de tels fonds tend vers zéro à mesure que nous approchons de la courbure requise pour obtenir des boucles temporelles. En d’autres termes, la probabilité de se déformer suffisamment pour une machine à voyager dans le temps est nulle. Cela confirme ce que j’appelle l’hypothèse de défense de la chronologie : les lois de la physique sont conçues pour empêcher les objets macroscopiques de se déplacer dans le temps.

Bien que temporaire sÉtant donné que les boucles sont autorisées lorsqu'elles sont additionnées sur des historiques, leurs probabilités sont extrêmement faibles. Sur la base des relations de dualité mentionnées ci-dessus, j'ai estimé la probabilité que Kip Thorne puisse voyager dans le temps et tuer son grand-père : elle était inférieure à une sur dix à la puissance mille milliards de milliards de milliards de milliards de milliards de milliards.

C'est juste une probabilité étonnamment faible, mais si vous regardez attentivement la photo de Kip, vous remarquerez une légère brume sur les bords. Cela correspond à la probabilité infime qu'un voyou du futur remonte le temps et tue son grand-père, et donc Kip n'est pas vraiment là.

Étant du genre à jouer que nous sommes, Kip et moi aimerions parier sur une anomalie comme celle-ci. Le problème, cependant, est que nous ne pouvons pas le faire car nous sommes actuellement du même avis. Et je ne parierai avec personne d’autre. Et s'il s'avérait être un extraterrestre du futur qui sait que le voyage dans le temps est possible ?

Avez-vous eu l'impression que ce chapitre avait été écrit à la demande du gouvernement pour cacher la réalité du voyage dans le temps ? Peut-être que tu as raison.

Une ligne du monde est un chemin dans un espace-temps à quatre dimensions. Les lignes du monde temporelles combinent le mouvement dans l’espace avec le mouvement naturel vers l’avant dans le temps. Ce n’est que dans ce sens que les objets matériels peuvent suivre.

Fini - ayant des dimensions finies.

Stephen Hawking

Le monde en quelques mots

Préface

Je ne m'attendais pas à ce que mon livre non-fictionnel, Une brève histoire du temps, connaisse un tel succès. Il est resté sur la liste des best-sellers du Sunday Times de Londres pendant plus de quatre ans – plus longtemps que tout autre livre, ce qui est particulièrement surprenant pour une publication scientifique, car ils ne se vendent généralement pas très rapidement. Ensuite, les gens ont commencé à se demander quand s’attendre à une suite. J'étais réticent, je ne voulais pas écrire quelque chose comme « Suite d'une nouvelle » ou « Une histoire du temps un peu plus longue ». J'étais également occupé par la recherche. Mais peu à peu, il est devenu clair qu'un autre livre pourrait être écrit, qui aurait une chance d'être plus facile à comprendre. Une brève histoire du temps a été structurée selon un modèle linéaire : dans la plupart des cas, chaque chapitre suivant est logiquement lié aux précédents. Certains lecteurs ont adoré, mais d'autres sont restés bloqués dans les premiers chapitres et n'ont jamais abordé les sujets les plus intéressants. Ce livre est structuré différemment - il ressemble plus à un arbre : les chapitres 1 et 2 forment un tronc, à partir duquel s'étendent les branches des chapitres restants.

Ces « branches » sont largement indépendantes les unes des autres, et, ayant une idée du « tronc », le lecteur peut en prendre connaissance dans n'importe quel ordre. Ils concernent des domaines dans lesquels j’ai travaillé ou réfléchi depuis la publication de Une brève histoire du temps. Autrement dit, ils reflètent les domaines de la recherche moderne les plus activement développés. Dans chaque chapitre, j'ai également essayé de m'éloigner d'une structure linéaire. Les illustrations et les légendes orientent le lecteur vers un itinéraire alternatif, comme dans An Illustrated Brief History of Time, publié en 1996. Les encadrés et les notes marginales permettent d'aborder certains sujets plus en profondeur que ce qui est possible dans le texte principal.

En 1988, lors de la première publication de Une brève histoire du temps, l’impression était que la théorie finale du tout se profilait à peine à l’horizon. Comment la situation a-t-elle évolué depuis ? Sommes-nous plus proches de notre objectif ? Comme vous l’apprendrez dans ce livre, les progrès ont été spectaculaires. Mais le voyage est toujours en cours et il n’y a pas de fin en vue. Comme on dit, il vaut mieux continuer le voyage avec espoir que d’arriver au but. Nos recherches et découvertes alimentent la créativité dans tous les domaines, pas seulement dans la science. Si nous parvenons au bout du chemin, l’esprit humain se flétrira et mourra. Mais je ne pense pas que nous nous arrêterons un jour : nous avancerons, sinon en profondeur, du moins vers la complexité, en restant toujours au centre de l’horizon élargi des possibles.

J'ai eu de nombreuses aides pendant que je travaillais sur ce livre. Je tiens particulièrement à remercier Thomas Hertog et Neil Shearer pour leur aide avec les figures, les légendes et les encadrés, Anne Harris et Kitty Fergusson qui ont édité le manuscrit (ou plus précisément les fichiers informatiques, puisque tout ce que j'écris apparaît sous forme électronique), Philip Dunn de Book Laboratory et Moonrunner Design, qui ont créé les illustrations. Mais je tiens aussi à remercier tous ceux qui m’ont donné l’opportunité de mener une vie normale et de m’engager dans la recherche scientifique. Sans eux, ce livre n'aurait pas été écrit.

Une brève histoire de la relativité

Comment Einstein a posé les bases

deux théories fondamentales du XXe siècle :

relativité générale et mécanique quantique

Albert Einstein, le créateur des théories de la relativité restreinte et générale, est né en 1879 dans la ville allemande d'Ulm ; la famille a ensuite déménagé à Munich, où le père du futur scientifique Hermann et son oncle Jacob avaient un petite entreprise d'ingénierie électrique peu prospère. Albert n’était pas un enfant prodige, mais prétendre qu’il a échoué à l’école semble exagéré. En 1894, l'entreprise de son père fait faillite et la famille déménage à Milan. Ses parents décidèrent de laisser Albert en Allemagne jusqu'à ce qu'il termine ses études, mais il ne supporta pas l'autoritarisme allemand et après quelques mois il quitta l'école pour se rendre en Italie pour rejoindre sa famille. Il complète ensuite ses études à Zurich et obtient un diplôme de la prestigieuse école polytechnique en 1900 ( E idgenössische T technique H ochschule - Ecole technique supérieure). La tendance d'Einstein à se disputer et à ne pas aimer ses supérieurs l'empêchait d'établir des relations avec des professeurs de l'ETH, de sorte qu'aucun d'entre eux ne lui proposa le poste d'assistant, qui commençait habituellement sa carrière universitaire. Seulement deux ans plus tard, le jeune homme a finalement réussi à trouver un emploi de commis junior à l'Office suisse des brevets à Berne. C'est au cours de cette période, en 1905, qu'il écrivit trois articles qui non seulement firent d'Einstein l'un des plus grands scientifiques du monde, mais marquèrent également le début de deux révolutions scientifiques - des révolutions qui changeèrent nos idées sur le temps, l'espace et la réalité elle-même.

À la fin du XIXe siècle, les scientifiques pensaient être sur le point d’avoir une description complète de l’Univers. Selon leurs idées, l'espace était rempli d'un milieu continu - « l'éther ». Les rayons lumineux et les signaux radio étaient considérés comme des ondes de l’éther, tout comme le son est des ondes de densité de l’air. Pour compléter la théorie, il suffisait de mesurer soigneusement les propriétés élastiques de l'éther. Dans cet objectif, le laboratoire Jefferson de l’université Harvard a été construit sans un seul clou en fer pour éviter d’éventuelles interférences dans les mesures magnétiques les plus fines. Cependant, les concepteurs ont oublié que la brique rouge-brun utilisée dans la construction du laboratoire et de la plupart des autres bâtiments de Harvard contient des quantités importantes de fer. Le bâtiment est toujours utilisé aujourd’hui, mais Harvard ne sait toujours pas quel poids peuvent supporter les sols de la bibliothèque, qui ne contiennent pas de clous en fer.

Vers la fin du siècle, le concept d’éther omniprésent commença à rencontrer des difficultés. La lumière était censée voyager à travers l'éther à une vitesse fixe, mais si vous vous déplaciez dans l'éther dans la même direction que la lumière, la vitesse de la lumière devrait apparaître plus lente, et si vous vous déplaciez dans la direction opposée, la vitesse de la lumière semble être plus rapide (Figure 1.1 ).

Riz. 1.1 Théorie de l'éther stationnaire

Si la lumière était une onde dans une substance élastique appelée éther, sa vitesse apparaîtrait plus rapide à quelqu'un se déplaçant dans un vaisseau spatial vers elle (a), et plus lente à quelqu'un se déplaçant dans la même direction que la lumière (b).

Cependant, dans un certain nombre d'expériences, ces idées n'ont pas pu être confirmées. La plus précise et la plus correcte d'entre elles a été réalisée en 1887 par Albert Michelson et Edward Morley à la Case School of Applied Sciences de Cleveland, Ohio. Ils ont comparé la vitesse de la lumière dans deux faisceaux se déplaçant à angle droit l'un par rapport à l'autre. Lorsque la Terre tourne sur son axe et tourne autour du Soleil, la vitesse et la direction de déplacement de l'équipement à travers l'éther changent (Fig. 1.2). Mais Michelson et Morley n'ont trouvé aucune différence quotidienne ou annuelle dans la vitesse de la lumière dans les deux faisceaux. Il s'est avéré que la lumière se déplaçait toujours par rapport à vous à la même vitesse, quelle que soit la vitesse et la direction dans laquelle vous vous déplaciez (Fig. 1.3).

Riz. 1.2

Aucune différence n'a été trouvée entre la vitesse de la lumière dans la direction de l'orbite terrestre et la vitesse de la lumière dans la direction perpendiculaire.

Sur la base de l'expérience Michelson-Morley, le physicien irlandais George Fitzgerald et le physicien néerlandais Hendrik Lorentz ont suggéré que les corps se déplaçant dans l'éther devraient se contracter et que les horloges devraient ralentir. Cette compression et cette décélération sont telles que les gens mesureront toujours la même vitesse de la lumière, quelle que soit la façon dont ils se déplacent par rapport à l'éther. (Fitzgerald et Lorentz considéraient toujours l'éther comme une substance réelle.) Cependant, dans un article rédigé en juin 1905, Einstein notait que si personne ne peut déterminer s'il se déplace ou non dans l'éther, alors le concept même d'éther devient redondant. Au lieu de cela, il a commencé par postuler que les lois de la physique doivent être les mêmes pour tous les observateurs se déplaçant librement. En particulier, tous mesurant la vitesse de la lumière devraient recevoir la même valeur, quelle que soit la vitesse à laquelle ils se déplacent eux-mêmes. La vitesse de la lumière est indépendante de leurs mouvements et est la même dans toutes les directions.

Riz. 1.3. Mesurer la vitesse de la lumière

Dans l'interféromètre de Michelson-More, la lumière de la source était divisée en deux faisceaux par un miroir translucide. Les rayons se déplaçaient perpendiculairement les uns aux autres, puis se réunissaient à nouveau pour tomber sur un miroir translucide. La différence de vitesse des rayons lumineux se déplaçant dans deux directions pourrait conduire au fait que les crêtes des ondes d'un rayon arriveraient simultanément avec les creux des ondes de l'autre et s'annuleraient.

Stephen Hawking

Le monde en quelques mots

Préface

Je ne m'attendais pas à ce que mon livre non-fictionnel, Une brève histoire du temps, connaisse un tel succès. Il est resté sur la liste des best-sellers du Sunday Times de Londres pendant plus de quatre ans – plus longtemps que tout autre livre, ce qui est particulièrement surprenant pour une publication scientifique, car ils ne se vendent généralement pas très rapidement. Ensuite, les gens ont commencé à se demander quand s’attendre à une suite. J'étais réticent, je ne voulais pas écrire quelque chose comme « Suite d'une nouvelle » ou « Une histoire du temps un peu plus longue ». J'étais également occupé par la recherche. Mais peu à peu, il est devenu clair qu'un autre livre pourrait être écrit, qui aurait une chance d'être plus facile à comprendre. Une brève histoire du temps a été structurée selon un modèle linéaire : dans la plupart des cas, chaque chapitre suivant est logiquement lié aux précédents. Certains lecteurs ont adoré, mais d'autres sont restés bloqués dans les premiers chapitres et n'ont jamais abordé les sujets les plus intéressants. Ce livre est structuré différemment - il ressemble plus à un arbre : les chapitres 1 et 2 forment un tronc, à partir duquel s'étendent les branches des chapitres restants.

Ces « branches » sont largement indépendantes les unes des autres, et, ayant une idée du « tronc », le lecteur peut en prendre connaissance dans n'importe quel ordre. Ils concernent des domaines dans lesquels j’ai travaillé ou réfléchi depuis la publication de Une brève histoire du temps. Autrement dit, ils reflètent les domaines de la recherche moderne les plus activement développés. Dans chaque chapitre, j'ai également essayé de m'éloigner d'une structure linéaire. Les illustrations et les légendes orientent le lecteur vers un itinéraire alternatif, comme dans An Illustrated Brief History of Time, publié en 1996. Les encadrés et les notes marginales permettent d'aborder certains sujets plus en profondeur que ce qui est possible dans le texte principal.

En 1988, lors de la première publication de Une brève histoire du temps, l’impression était que la théorie finale du tout se profilait à peine à l’horizon. Comment la situation a-t-elle évolué depuis ? Sommes-nous plus proches de notre objectif ? Comme vous l’apprendrez dans ce livre, les progrès ont été spectaculaires. Mais le voyage est toujours en cours et il n’y a pas de fin en vue. Comme on dit, il vaut mieux continuer le voyage avec espoir que d’arriver au but. Nos recherches et découvertes alimentent la créativité dans tous les domaines, pas seulement dans la science. Si nous arrivons au bout du chemin, l’esprit humain se flétrira et mourra. Mais je ne pense pas que nous nous arrêterons un jour : nous avancerons, sinon en profondeur, du moins vers la complexité, en restant toujours au centre de l’horizon élargi des possibles.

J'ai eu de nombreuses aides pendant que je travaillais sur ce livre. Je tiens particulièrement à remercier Thomas Hertog et Neil Shearer pour leur aide avec les figures, les légendes et les encadrés, Anne Harris et Kitty Fergusson qui ont édité le manuscrit (ou plus précisément les fichiers informatiques, puisque tout ce que j'écris apparaît sous forme électronique), Philip Dunn de Book Laboratory et Moonrunner Design, qui ont créé les illustrations. Mais je tiens aussi à remercier tous ceux qui m’ont donné l’opportunité de mener une vie normale et de m’engager dans la recherche scientifique. Sans eux, ce livre n'aurait pas été écrit.

Une brève histoire de la relativité

Comment Einstein a posé les bases

deux théories fondamentales du XXe siècle :

relativité générale et mécanique quantique

Albert Einstein, le créateur des théories de la relativité restreinte et générale, est né en 1879 dans la ville allemande d'Ulm ; la famille a ensuite déménagé à Munich, où le père du futur scientifique Hermann et son oncle Jacob avaient un petite entreprise d'ingénierie électrique peu prospère. Albert n’était pas un enfant prodige, mais prétendre qu’il a échoué à l’école semble exagéré. En 1894, l'entreprise de son père fait faillite et la famille déménage à Milan. Ses parents décidèrent de laisser Albert en Allemagne jusqu'à ce qu'il termine ses études, mais il ne supporta pas l'autoritarisme allemand et après quelques mois il quitta l'école pour se rendre en Italie pour rejoindre sa famille. Il complète ensuite ses études à Zurich et obtient un diplôme de la prestigieuse école polytechnique en 1900 ( E idgenössische T technique H ochschule - Ecole technique supérieure). La tendance d'Einstein à se disputer et à ne pas aimer ses supérieurs l'empêchait d'établir des relations avec des professeurs de l'ETH, de sorte qu'aucun d'entre eux ne lui proposa le poste d'assistant, qui commençait habituellement sa carrière universitaire. Seulement deux ans plus tard, le jeune homme a finalement réussi à trouver un emploi de commis junior à l'Office suisse des brevets à Berne. C'est au cours de cette période, en 1905, qu'il écrivit trois articles qui non seulement firent d'Einstein l'un des plus grands scientifiques du monde, mais marquèrent également le début de deux révolutions scientifiques - des révolutions qui changeèrent nos idées sur le temps, l'espace et la réalité elle-même.

À la fin du XIXe siècle, les scientifiques pensaient être sur le point d’avoir une description complète de l’Univers. Selon leurs idées, l'espace était rempli d'un milieu continu - « l'éther ». Les rayons lumineux et les signaux radio étaient considérés comme des ondes de l’éther, tout comme le son est des ondes de densité de l’air. Pour compléter la théorie, il suffisait de mesurer soigneusement les propriétés élastiques de l'éther. Dans cet objectif, le laboratoire Jefferson de l’université Harvard a été construit sans un seul clou en fer pour éviter d’éventuelles interférences dans les mesures magnétiques les plus fines. Cependant, les concepteurs ont oublié que la brique rouge-brun utilisée dans la construction du laboratoire et de la plupart des autres bâtiments de Harvard contient des quantités importantes de fer. Le bâtiment est toujours utilisé aujourd’hui, mais Harvard ne sait toujours pas quel poids peuvent supporter les sols de la bibliothèque, qui ne contiennent pas de clous en fer.

Vers la fin du siècle, le concept d’éther omniprésent commença à rencontrer des difficultés. La lumière était censée voyager à travers l'éther à une vitesse fixe, mais si vous vous déplaciez dans l'éther dans la même direction que la lumière, la vitesse de la lumière devrait apparaître plus lente, et si vous vous déplaciez dans la direction opposée, la vitesse de la lumière semble être plus rapide (Figure 1.1 ).

Riz. 1.1 Théorie de l'éther stationnaire

Si la lumière était une onde dans une substance élastique appelée éther, sa vitesse apparaîtrait plus rapide à quelqu'un se déplaçant dans un vaisseau spatial vers elle (a), et plus lente à quelqu'un se déplaçant dans la même direction que la lumière (b).

Cependant, dans un certain nombre d'expériences, ces idées n'ont pas pu être confirmées. La plus précise et la plus correcte d'entre elles a été réalisée en 1887 par Albert Michelson et Edward Morley à la Case School of Applied Sciences de Cleveland, Ohio. Ils ont comparé la vitesse de la lumière dans deux faisceaux se déplaçant à angle droit l'un par rapport à l'autre. Lorsque la Terre tourne sur son axe et tourne autour du Soleil, la vitesse et la direction de déplacement de l'équipement à travers l'éther changent (Fig. 1.2). Mais Michelson et Morley n'ont trouvé aucune différence quotidienne ou annuelle dans la vitesse de la lumière dans les deux faisceaux. Il s'est avéré que la lumière se déplaçait toujours par rapport à vous à la même vitesse, quelle que soit la vitesse et la direction dans laquelle vous vous déplaciez (Fig. 1.3).

Vif et intrigant. Hawking a un don naturel pour enseigner et expliquer, et pour illustrer avec humour des concepts extrêmement complexes avec des analogies de la vie quotidienne.

New York Times

Ce livre associe les merveilles de l’enfance aux intelligences géniales. Nous voyageons à travers l'univers de Hawking, transportés par la puissance de son esprit.

Horaires du dimanche

Vif et plein d'esprit... Permet au lecteur général de tirer des vérités scientifiques profondes de la source originale.

New yorkais

Stephen Hawking est un maître de la clarté... Il est difficile d'imaginer que quelqu'un d'autre vivant aujourd'hui ait présenté plus clairement des calculs mathématiques qui effraient le profane.

Chicago Tribune

Probablement le meilleur livre scientifique de vulgarisation. Un résumé magistral de ce que les physiciens modernes savent de l’astrophysique. Merci Dr Hawking! penser à l'univers et à la façon dont il est devenu ainsi.

Le journal Wall Street

En 1988, le livre record de Stephen Hawking, Une brève histoire du temps, a présenté aux lecteurs du monde entier les idées de ce remarquable physicien théoricien. Et voici un nouvel événement important : Hawking est de retour ! La suite superbement illustrée, The World in a Nutshell, révèle les découvertes scientifiques réalisées depuis la publication de son premier livre, largement acclamé.

Hawking, l'un des scientifiques les plus brillants de notre époque, connu non seulement pour l'audace de ses idées mais aussi pour la clarté et l'esprit de son expression, nous emmène à la pointe de la recherche, là où la vérité semble plus étrange que la fiction, pour expliquer en en termes simples, les principes qui régissent l'univers. Comme de nombreux physiciens théoriciens, Hawking aspire à trouver le Saint Graal de la science : la théorie du tout, qui est à la base du cosmos. Il nous permet de toucher aux secrets de l'univers : de la supergravité à la supersymétrie, de la théorie quantique à la théorie M, de l'holographie aux dualités. Nous partons avec lui dans une aventure passionnante alors qu'il parle de ses tentatives pour s'appuyer sur la théorie de la relativité générale d'Einstein et l'idée d'histoires multiples de Richard Feynman pour en faire une théorie unifiée complète qui décrirait tout ce qui se passe dans l'Univers.

Nous l'accompagnons dans un voyage extraordinaire à travers l'espace-temps, et de magnifiques illustrations en couleurs servent de repères à ce voyage à travers un pays des merveilles surréaliste, où particules, membranes et cordes se déplacent dans onze dimensions, où les trous noirs s'évaporent en emportant avec eux leurs secrets, et où la graine cosmique à partir de laquelle notre Univers a grandi était une petite noix.

Stephen Hawking est titulaire de la chaire Lucasian de mathématiques à l'Université de Cambridge, succédant à Isaac Newton et Paul Dirac. Il est considéré comme l’un des physiciens théoriciens les plus éminents depuis Einstein.

Le monde en quelques mots

Que l'Univers a de nombreuses histoires,

dont chacun

défini par un petit écrou

Je me considérerais en un mot

seigneur du vaste espace.

Chez Shakespeare. Hamlet. Acte 2, scène 2

Hamlet aurait pu signifier que même si nous, les humains, sommes très limités physiquement, nos esprits sont libres dans leur désir de comprendre le monde entier et d'aller hardiment là où même les héros de Star Trek n'osaient pas aller - les rêves les plus terribles sont autorisés.

L'Univers est-il vraiment infini ou simplement très grand ? Est-il éternel ou a-t-il simplement une longue durée de vie ? Comment notre esprit fini peut-il comprendre l’Univers infini ? Est-ce trop confiance en soi pour tenter une telle chose ? Ne risquons-nous pas de répéter le sort de Prométhée qui, selon le mythe classique, a volé le feu à Zeus et a enseigné aux gens comment l'utiliser et, en guise de punition pour son courage inconsidéré, a été enchaîné à un rocher et est devenu la proie d'un aigle. qui a volé pour lui picorer le foie ?

Le télescope spatial Hubble.

Malgré l'avertissement de la légende, je crois que nous pouvons et devons essayer de comprendre l'Univers. Nous avons déjà fait des progrès remarquables dans la compréhension de l’espace, surtout ces dernières années. Nous n’avons pas encore une image complète, mais cela pourrait bientôt arriver.

Le fait le plus évident à propos de l’espace est qu’il s’étend indéfiniment. Ceci est confirmé par des instruments modernes tels que le télescope Hubble, qui nous permet de scruter l’espace lointain. Nous y voyons des milliards et des milliards de galaxies de formes et de tailles variées (Fig. 3.1).

Lorsque nous regardons les profondeurs de l’Univers, nous voyons des milliards et des milliards de galaxies. Les galaxies peuvent avoir différentes formes et tailles ; ils peuvent être elliptiques ou en spirale, comme notre Voie Lactée.

Notre planète Terre (3) orbite autour du Soleil dans la région périphérique de la galaxie spirale de la Voie Lactée. La poussière interstellaire dans les bras spiraux nous empêche d'observer en direction du plan galactique, mais il y a une bonne vue sur les côtés de celui-ci.

Chaque galaxie contient un nombre incalculable de milliards d’étoiles, et nombre d’entre elles possèdent des planètes. Nous vivons sur une planète en orbite autour d’une étoile située dans le bras externe de la galaxie spirale de la Voie lactée. La poussière dans les bras spiraux nous empêche d'observer l'Univers à proximité du plan galactique, mais en direction des deux cônes de part et d'autre de ce plan, la visibilité est excellente, et l'on peut déterminer les positions des galaxies lointaines (Fig. 3.2). . Nous avons constaté que les galaxies sont réparties à peu près uniformément dans l’espace, avec des amas et des vides locaux individuels. Il semble que la densité des galaxies à de très grandes distances diminue, mais très probablement, en raison de leur distance, leur lumière devient si faible que nous ne les enregistrons tout simplement pas. Pour autant que nous puissions en juger, l’Univers s’étend indéfiniment dans l’espace (Fig. 3.3).

Nous voyons qu’à l’exception de quelques amas locaux individuels, les galaxies sont réparties presque uniformément dans l’espace.

Bien que l’Univers soit presque le même partout dans l’espace, il change définitivement avec le temps. Jusqu'au début du XXe siècle, cela n'était pas réalisé - on croyait que c'était fondamentalement inchangé. Il était censé exister pour une durée infinie, mais cela a conduit à des conclusions absurdes. Si les étoiles devaient briller indéfiniment, elles devraient réchauffer l’Univers à leur température. Même la nuit, le ciel tout entier brillerait aussi brillamment que le Soleil, puisque dans n'importe quelle direction, le regard finirait par se retrouver soit avec une étoile, soit avec un nuage de poussière chauffé à la même température que les étoiles (Fig. 3.4).

Si l’Univers était statique et infini dans toutes les directions, le ciel nocturne serait étoilé partout et brillerait aussi brillamment que la surface du Soleil.

Nous avons tous observé le ciel nocturne et savons qu’il fait sombre, et c’est très important. Il s’ensuit que l’Univers ne peut pas rester éternellement dans le même état qu’il est aujourd’hui. Dans le passé, il y a un temps fini, quelque chose a dû se produire qui a provoqué l'illumination des étoiles, ce qui signifie que la lumière d'étoiles très lointaines ne nous était pas encore parvenue. C'est pourquoi le ciel la nuit ne nous aveugle pas de tous côtés.

Mais si les étoiles étaient toujours à leur place, pourquoi se sont-elles soudainement allumées il y a plusieurs milliards d’années ? Quelle minuterie leur a dit qu'il était temps de briller ? Comme nous le savons, cela a intrigué de nombreux philosophes qui, comme Emmanuel Kant, croyaient que l'Univers existe pour toujours. Cependant, la plupart des gens étaient assez à l’aise avec l’idée que l’Univers a été créé il y a seulement quelques milliers d’années, comme c’est le cas aujourd’hui.

Des désaccords avec cette idée ont commencé à apparaître grâce aux observations de Vesto Slifer et d'Edwin Hubble dans la deuxième décennie du XXe siècle. Et en 1923, Hubble découvrit que de nombreux points à peine visibles dans le ciel, appelés nébuleuses, sont en fait d'autres galaxies, d'immenses conglomérats des mêmes étoiles que notre Soleil, mais situés à de grandes distances. Pour qu’ils paraissent si petits et si pâles, il faut que les distances soient si grandes que la lumière mettrait des millions, voire des milliards d’années, à nous parvenir. Cela signifie que l’Univers n’aurait pas pu apparaître il y a seulement quelques milliers d’années.

La deuxième découverte de Hubble était encore plus remarquable. Les astronomes savent qu’en analysant la lumière d’autres galaxies, nous pouvons déterminer si elles se rapprochent de nous ou s’éloignent de nous (Figure 3.5). À leur grande surprise, il s’est avéré que presque toutes les galaxies s’éloignaient. De plus, plus les galaxies sont éloignées, plus elles s’éloignent rapidement. C'est Hubble qui a réalisé la conséquence dramatique de cette découverte : à grande échelle, chaque galaxie s'éloigne les unes des autres. L'univers est en expansion

Notre galaxie voisine, la nébuleuse d'Andromède, dont les paramètres ont été mesurés par Hubble et Slipher

Chronologie des découvertes faites par Slipher et Hubble entre 1910 et 1930.

1912 - Slifer a reçu les spectres de quatre nébuleuses et a découvert un décalage vers le rouge dans trois d'entre elles, ainsi qu'un décalage vers le bleu dans le spectre de la nébuleuse d'Andromède. Il a conclu que la nébuleuse d'Andromède s'approche de nous, tandis que d'autres nébuleuses s'éloignent de nous.

1912–1914 - Slifer a mesuré les spectres de 12 autres nébuleuses. Tous sauf un se sont avérés décalés vers le rouge.

1914 - Slifer a présenté ses résultats à l'American Astronomical Society. Hubble était présent.

1918 - Hubble a commencé à explorer les nébuleuses.

1923 - Hubble a déterminé que les nébuleuses spirales (y compris la nébuleuse d'Andromède) sont d'autres galaxies.

1914–1925 - Slifer et d'autres astronomes ont continué à mesurer les décalages Doppler. En 1925, 43 redshifts et 2 blueshifts avaient été mesurés.

1929 - Hubble et Milton Humason, après avoir continué à mesurer les décalages Doppler et découvert qu'à grande échelle chaque galaxie semble s'éloigner des autres, annoncent que l'Univers est en expansion.

effet Doppler

Nous observons presque quotidiennement l’effet Doppler, qui révèle la relation entre longueur d’onde et vitesse. Écoutez l'avion qui passe au-dessus de vous. Lorsqu'il se rapproche, le moteur sonne haut et lorsqu'il s'éloigne, il sonne bas.

L'aigu correspond à des ondes sonores plus courtes (avec une courte distance d'une crête d'onde à l'autre) et des fréquences plus élevées (le nombre d'ondes arrivant par seconde).

L'effet Doppler est dû au fait qu'un avion en approche sera plus proche de vous lorsqu'il créera la prochaine crête de vague, ce qui signifie que la distance entre les crêtes sera réduite. De même, à mesure qu’un avion s’éloigne, les longueurs d’onde augmentent et la hauteur du son perçu diminue.

La découverte de l’expansion de l’Univers fut l’une des plus grandes révolutions intellectuelles du XXe siècle. Cela s'est avéré complètement inattendu et a complètement changé le cours de la discussion sur l'origine de l'Univers. Si les galaxies se séparent, elles ont dû être plus proches les unes des autres dans le passé. Sur la base du taux d’expansion actuel, nous pouvons conclure qu’il y a entre 10 et 15 milliards d’années, ils étaient très proches les uns des autres. Comme décrit dans le chapitre précédent, Roger Penrose et moi avons pu montrer que la théorie de la relativité générale d'Einstein implique que l'univers et le temps lui-même doivent avoir un début sous la forme d'une grande explosion. C'est pourquoi le ciel nocturne est sombre : pas une seule étoile ne pourrait briller plus de dix à quinze milliards d'années – le temps qui s'est écoulé depuis le Big Bang.

L'effet Doppler se produit également pour les ondes lumineuses. Si une galaxie reste à une distance constante de la Terre, des raies caractéristiques de son spectre apparaîtront à des positions standard normales. Cependant, si elle s’éloigne de nous, les ondes apparaîtront plus longues ou étirées, et les raies spectrales caractéristiques se déplaceront vers le rouge (à droite). Si la galaxie se rapproche de nous, les ondes apparaîtront compressées et les lignes connaîtront un décalage vers le bleu.

Edwin Hubble au télescope de 100 pouces de l'observatoire du mont Wilson. 1930

En analysant la lumière d'autres galaxies, Edwin Hubble a découvert dans les années 1920 que presque toutes les galaxies s'éloignent de nous à une vitesse V, proportionnelle à la distance. R. de la terre: V = N x R. Ce modèle important, appelé loi de Hubble, établit que l'Univers est en expansion et que la constante de Hubble est en expansion. N fixe le taux de son expansion.

Riz. H.6. La loi de Hubble

Le graphique montre les dernières données d'observation sur les redshifts des galaxies, confirmant que la loi de Hubble fonctionne à de grandes distances de nous. Une légère courbure vers le haut à de plus grandes distances suggère que l'expansion s'accélère, éventuellement sous l'influence de l'énergie du vide.

Nous sommes habitués au fait que certains événements sont provoqués par d’autres événements antérieurs, qui, à leur tour, sont provoqués par des événements encore plus antérieurs. Il existe une chaîne de causalité qui remonte au passé. Mais supposons que cette chaîne ait un début. Supposons que le premier événement se soit produit. Qu’est-ce qui l’a causé ? Ce n’est pas une question que la plupart des scientifiques souhaitent aborder. Ils tentent de l'éviter, soit en déclarant, comme les Russes, que l'Univers n'a pas eu de commencement, soit en affirmant que la question de son origine échappe au domaine de la science et relève de la métaphysique et de la religion. Mon opinion est qu’un vrai scientifique ne devrait accepter aucune de ces positions. Si les lois de la nature sont suspendues au début de l’univers, pourquoi ne seraient-elles pas également violées à d’autres moments ? Une loi n’est pas une loi si elle n’est appliquée que de temps en temps. Nous devons essayer d'expliquer scientifiquement le début de l'univers. Cette tâche ne dépend peut-être pas de nous, mais nous devons au moins essayer.

Bien que les théorèmes que Penrose et moi avons démontrés démontrent que l’univers doit avoir un commencement, ils ne disent pratiquement rien sur la nature de ce commencement. Ils indiquent que l’Univers a commencé avec le Big Bang, un état dans lequel l’ensemble et tout ce qu’il contient a été compressé en un seul point de densité infinie. À ce stade, la théorie de la relativité générale d’Einstein devient inapplicable et ne peut pas être utilisée pour prédire exactement comment l’univers a commencé. Nous sommes obligés d’admettre que l’origine de l’Univers se situe apparemment au-delà des limites de la science.

Big Bang chaud

Si la relativité générale est correcte, l'univers a commencé avec une température et une densité infiniment élevées au niveau de la singularité du Big Bang. À mesure que l’Univers s’étendait, la température et l’intensité du rayonnement diminuaient. Environ un centième de seconde après le Big Bang, la température était d'environ 100 milliards de degrés et l'Univers était principalement rempli de photons, d'électrons, de neutrinos (particules très légères) et de leurs antiparticules, ainsi que de quelques protons et neutrons. Au cours des trois minutes suivantes, l'Univers s'est refroidi à environ 1 milliard de degrés et des protons et des neutrons ont commencé à former de l'hélium, des isotopes d'hydrogène et d'autres éléments légers.

Des centaines de milliers d’années plus tard, alors que les températures chutaient jusqu’à plusieurs milliers de degrés, les électrons ralentissaient au point que des noyaux légers pouvaient les piéger, formant ainsi des atomes. Cependant, les éléments les plus lourds qui nous composent, comme le carbone et l’oxygène, n’ont été formés que des milliards d’années plus tard par la combustion de l’hélium dans le cœur des étoiles.

Cette image d'un Univers dense et chaud a été décrite pour la première fois par le physicien George Gamow en 1948 dans un article rédigé avec Ralph Alpher, qui faisait la prédiction remarquable que les rayonnements de cette époque très chaude devraient encore être autour de nous aujourd'hui. La prédiction des scientifiques a été confirmée en 1965, lorsque les physiciens Arno Penzias et Robert Wilson ont détecté le rayonnement micro-ondes du fond cosmique..

Mais ce n’est pas une conclusion qui plairait aux scientifiques. Comme indiqué dans les chapitres 1 et 2, la raison pour laquelle la relativité générale ne fonctionne pas à proximité du Big Bang est qu'elle n'inclut pas le principe d'incertitude, qui introduit un élément de hasard dans la théorie quantique et pour lequel Einstein a dit que Dieu Dieu ne joue pas aux dés. . Pourtant, tout indique que le Seigneur Dieu est un joueur invétéré. Vous pouvez imaginer l'Univers comme un immense casino, dans lequel des dés sont lancés ou une roulette est tournée à chaque occasion (Fig. 3.7).

Vous pensez peut-être que gérer un casino est une activité très précaire, car chaque lancer de dés ou chaque tour de roulette comporte le risque de perdre de l’argent. Mais avec un grand nombre de paris, les gains et les pertes sont moyennés et un résultat peut être prédit (Fig. 3.8). Les propriétaires de casino font en sorte que les écarts soient compensés en leur faveur. C'est pourquoi ils sont riches. Votre seule chance de gagner est de miser tout votre argent sur un petit nombre de lancers de dés ou de tours de roulette.

Si un joueur parie plusieurs fois sur le rouge, sa victoire ou sa perte peut être prédite avec une grande précision, car la moyenne des résultats des jeux individuels est établie. D’un autre côté, il est impossible de prédire le résultat d’un pari individuel.

C'est la même chose avec l'Univers. Lorsqu'il est aussi grand qu'aujourd'hui, il y a un très grand nombre de lancers de dés, le résultat est moyenné et peut être prédit. C'est pourquoi les lois classiques fonctionnent pour les grands systèmes. Mais lorsque l’Univers est très petit, comme à l’approche du Big Bang, les dés ne sont lancés qu’un petit nombre de fois et le principe d’incertitude devient très important.

Parce que l’Univers lance constamment des dés pour déterminer ce qui va se passer ensuite, il n’a pas une seule histoire, comme on pourrait le penser. Au contraire, l’Univers a toutes les histoires possibles – chacune avec une certaine probabilité. Parmi eux, il devrait y en avoir un dans lequel l'équipe du Belize a remporté toutes les médailles d'or aux Jeux olympiques, même si cela peut avoir une faible probabilité. L’idée selon laquelle l’univers a plusieurs histoires peut ressembler à de la science-fiction, mais elle est aujourd’hui acceptée comme un fait scientifique. Elle a été formulée par Richard Feynman, qui était un grand physicien et un grand original.

Nous travaillons maintenant à combiner la théorie générale de la relativité d'Einstein et l'idée d'histoires multiples de Feynman en une théorie unifiée complète qui décrit tout ce qui se passe dans l'Univers. Une théorie unifiée nous permettra de calculer comment l’Univers va se développer si nous savons comment son histoire a commencé. Mais une théorie unifiée en elle-même ne nous permettra pas de découvrir où l'Univers a commencé, quel était son état initial. Cela nécessite ce que l’on appelle des conditions aux limites, des règles qui nous disent ce qui se passe aux confins de l’Univers, aux confins de l’espace et du temps.

Si les limites de l’univers n’étaient qu’un point dans l’espace-temps, nous pourrions repousser les limites.

Si le bord de l’Univers passait par un point ordinaire de l’espace et du temps, nous pourrions aller plus loin et prétendre que nous avons dépassé l’Univers. D’un autre côté, si l’Univers se terminait à la limite, là où l’espace et le temps sont froissés et où la densité est infinie, il serait très difficile de spécifier des conditions aux limites significatives.

Pourtant, mon collègue Jim Hartle et moi avons réalisé qu'il existait une troisième option. Peut-être que l’Univers n’a pas de frontières dans l’espace et dans le temps. À première vue, cela semble contredire le théorème que Penrose et moi avons prouvé selon lequel l'Univers doit avoir un début, c'est-à-dire une limite dans le temps. Cependant, comme expliqué au chapitre 2, il existe un autre type de temps, appelé temps imaginaire, perpendiculaire au temps réel ordinaire que nous percevons. L’histoire de l’Univers en temps réel détermine son histoire en temps imaginaire, et vice versa, mais ces deux types d’histoire peuvent être très différents. Par exemple, dans un temps imaginaire, l’Univers peut n’avoir ni début ni fin. Le temps imaginaire se comporte presque comme une direction supplémentaire dans l’espace. En particulier, les différentes histoires de l'Univers dans le temps imaginaire peuvent être représentées par des surfaces courbes, comme une sphère, un avion ou une selle, mais en quatre dimensions plutôt qu'en deux (Figure 3.9).

Riz. 3.9 Histoires de l'univers

Si l’histoire de l’Univers va vers l’infini, comme dans le cas d’une selle, alors se pose le problème de fixer les conditions aux limites à l’infini. Si toutes les histoires de l’Univers dans un temps imaginaire sont des surfaces fermées, semblables à la surface de la Terre, alors il n’est pas du tout nécessaire de spécifier des conditions aux limites.

Si, comme une selle ou un avion, les histoires de l’Univers vont à l’infini, alors des problèmes surgissent pour fixer les conditions aux limites à l’infini. Mais si toutes les histoires de l’Univers dans un temps imaginaire sont des surfaces fermées semblables à la surface de la Terre, alors nous pouvons complètement éviter de spécifier des conditions aux limites. La surface de la Terre n’a ni frontières ni bords. Il n’existe aucun rapport fiable indiquant que les gens se sont mis en colère.

Lois d'évolution et conditions initiales

Les lois de la physique précisent comment l’état initial évolue au fil du temps. Par exemple, si nous lançons une pierre en l’air, la loi de la gravité nous permettra de prédire avec une grande précision son mouvement ultérieur. Mais nous ne pouvons pas prédire où tombera une pierre en nous basant uniquement sur les lois. Il faut également connaître la vitesse et la direction de son mouvement au moment où il quitte la main. En d’autres termes, nous devons connaître les conditions initiales ou, comme on dit aussi, les conditions limites du mouvement de la pierre.

La cosmologie tente de décrire l'évolution de l'Univers entier en utilisant les lois de la physique. Il faut donc se demander quelles étaient les conditions initiales de l’Univers auxquelles il faut appliquer ces lois. L’état initial peut avoir un impact très significatif sur les propriétés fondamentales de l’Univers, peut-être même sur les propriétés des particules élémentaires et les interactions cruciales pour le développement de la vie biologique.

L’une des hypothèses est la condition sans frontières, selon laquelle le temps et l’espace sont finis et forment des surfaces fermées sans frontières. L'hypothèse sans frontière est basée sur l'idée d'histoires multiples de Feynman, mais l'histoire de la particule dans la somme de Feynman est dans ce cas remplacée par l'espace-temps total, qui représente l'histoire de l'Univers entier. La condition sans frontière est, pour être précis, une limitation des histoires possibles de l’Univers aux espaces-temps qui n’ont pas de frontières dans le temps imaginaire. En d’autres termes, les conditions aux limites de l’Univers sont qu’il n’a pas de conditions aux limites.

Les cosmologues étudient actuellement si une configuration initiale satisfaisant l’hypothèse sans frontières, éventuellement associée au principe anthropique faible, pourrait conduire au développement d’un Univers similaire à celui que nous observons.

Si les histoires temporelles imaginaires de l’univers sont effectivement des surfaces fermées, comme Hartle et moi-même l’avons suggéré, cela devrait avoir des conséquences importantes pour la philosophie et pour l’image de nos origines. L’Univers dans ce cas est complètement fermé et autosuffisant ; rien d’autre n’est nécessaire pour remonter l’horloge et la faire fonctionner. Tout dans le monde doit être déterminé par les lois de la nature et mis en mouvement en lançant des dés au sein de l’Univers. Même si cela peut paraître spéculatif, j’y crois, comme beaucoup d’autres scientifiques.

La surface de la Terre n’a ni frontières ni bords. Les rumeurs selon lesquelles des personnes tomberaient au bout du monde sont quelque peu exagérées.

Même si la condition aux limites de l’Univers est l’absence de conditions aux limites, il aura quand même plus d’une histoire. Selon Feynman, il contient de nombreuses histoires. Chaque surface fermée possible doit avoir sa propre histoire dans un temps imaginaire, et chacune d'elles définit une histoire en temps réel.

En conséquence, nous obtenons une super-diversité de possibilités pour l’Univers. Qu’est-ce qui distingue l’Univers spécifique dans lequel nous vivons de l’ensemble de tous les Univers possibles ? D’une part, on peut noter que de nombreuses histoires possibles de l’Univers ne conduisent pas à la formation séquentielle de galaxies et d’étoiles, fondamentale pour notre naissance. S’il est possible que des êtres intelligents évoluent sans galaxies ni étoiles, cela semble peu probable. C’est pourquoi le fait que nous existions nous-mêmes, capables de poser la question « Pourquoi l’Univers est tel qu’il est, impose des limites à l’histoire du monde dans lequel nous vivons ? Ce fait indique qu’il faut réaliser l’une des rares histoires dans lesquelles se trouvent des galaxies et des étoiles. Ceci est une illustration du principe dit anthropique. Il dit que l'Univers doit ressembler plus ou moins à ce que nous observons, car s'il était différent, il n'y aurait personne pour l'observer (Figure 3.10).

À gauche : univers(s) qui s’effondrent et se ferment. À droite : des univers ouverts (b) qui continuent de s’étendre à jamais.

Les univers frontaliers oscillant entre l’effondrement sur eux-mêmes et une expansion continue (c1), ou avec une double inflation (c2), peuvent abriter une vie intelligente. Notre Univers (d) continue de s’étendre.

Principe anthropique

En gros, le principe anthropique affirme que nous voyons l’univers tel qu’il est en partie parce que nous existons. Cette vision est diamétralement opposée à l’espoir de créer une théorie unifiée capable de faire des prédictions sans ambiguïté basées sur un ensemble exhaustif de lois de la physique et selon laquelle notre monde est ce qu’il est parce qu’il ne peut pas être différent. Il existe de nombreuses variantes du principe anthropique, allant de faible jusqu'à la trivialité à si fort qu'elles en deviennent absurdes. Bien que la plupart des scientifiques soient réticents à accepter uniquement le principe anthropique fort, certains sont prêts à remettre en question même le raisonnement fondé sur le principe faible.

Le principe anthropique faible revient à expliquer dans laquelle des nombreuses époques ou parties de l’Univers nous pourrions vivre. Par exemple, le Big Bang a dû se produire il y a environ 10 milliards d'années : l'Univers devait être suffisamment vieux pour que certaines étoiles aient déjà terminé leur évolution et produit les éléments qui nous composent, comme l'oxygène et le carbone, mais en même temps assez jeune pour qu'il y ait encore des étoiles, capables de soutenir l'existence de la vie avec leur énergie.

Dans l'hypothèse de l'absence de frontières, on peut utiliser les règles de Feynman pour attribuer des numéros à chaque histoire de l'univers afin de déterminer quelles propriétés il est le plus susceptible d'avoir. Dans ce contexte, le principe anthropique apparaît comme une exigence selon laquelle les récits contiennent une vie intelligente. Bien entendu, le principe anthropique nous préoccuperait moins s'il pouvait être démontré que, à partir de nombreuses configurations initiales différentes, l'Univers tend à évoluer de manière à produire un monde similaire à celui que nous observons. Cela pourrait signifier que l’état initial de la partie du monde dans laquelle nous vivons n’a pas nécessairement dû être choisi avec un soin particulier..

De nombreux scientifiques n’aiment pas le principe anthropique car il semble vague et n’a pas beaucoup de pouvoir prédictif. Cependant, le principe anthropique peut recevoir une formulation précise, et il semble essentiel pour discuter de l’origine de l’Univers. La théorie M, mentionnée au chapitre 2, permet une grande variété d’histoires de l’univers. La plupart de ces histoires ne sont pas adaptées au développement d’une vie intelligente : vides, trop courtes, excessivement tordues ou inappropriées d’une autre manière. De plus, selon l'idée de Richard Feynman sur la multiplicité des histoires, ces options inhabitées peuvent avoir une très forte probabilité.

Histoires de Feynman

Richard Feynman né à Brooklyn, New York, en 1918. En 1942, il obtient son doctorat sous la direction de John Wheeler à l'Université de Princeton. Peu de temps après, il fut recruté pour participer au projet Manhattan. Feynman est devenu célèbre pour son caractère agité et ses farces (à Los Alamos, il s'amusait à ouvrir des coffres-forts contenant des informations classifiées), ainsi que pour être un physicien exceptionnel : il est devenu l'un des principaux développeurs de la théorie de la bombe atomique. L’essence même de sa personnalité était une curiosité insatiable pour le monde qui l’entourait. Cela a non seulement alimenté son succès scientifique, mais a également conduit à des réalisations étonnantes telles que le déchiffrement des hiéroglyphes mayas.

Après la Seconde Guerre mondiale, Feynman proposa une nouvelle vision très efficace de la mécanique quantique, pour laquelle il reçut le prix Nobel en 1965. Il a remis en question l’idée classique fondamentale selon laquelle chaque particule n’a qu’une seule histoire. Au lieu de cela, il a proposé que les particules se déplacent d’un endroit à un autre en empruntant tous les chemins possibles dans l’espace-temps. Feynman a associé deux nombres à chaque trajectoire : un pour la grandeur (amplitude) de l'onde et l'autre pour sa phase (position dans le cycle - crête ou creux). La probabilité qu'une particule se déplace d'un point A à un point B est déterminée en additionnant les ondes associées à chaque chemin possible de A à B.

Dans le monde quotidien, les objets se déplacent du point de départ au point final en empruntant un seul chemin. Ceci est néanmoins cohérent avec l'idée de Feynman d'histoires multiples (somme sur les histoires), puisque pour les grands objets, sa règle d'attribution de numéros à chaque chemin garantit que, prises ensemble, les contributions de tous les chemins sauf un s'annulent. Un seul chemin parmi un nombre infini de chemins compte lorsque l’on considère le mouvement d’objets macroscopiques, et ce chemin correspond exactement à celui qui découle des lois classiques et newtoniennes du mouvement.

En fait, peu importe le nombre d’histoires dans lesquelles il n’y a aucun être intelligent. Nous ne nous intéressons qu’au sous-ensemble dans lequel se développe la vie intelligente. Il n’est pas nécessaire que ce soit comme les gens. Les petits hommes verts sont aussi bons. Peut-être sont-ils encore plus adaptés. La race humaine n’a pas beaucoup de réalisations intelligentes à son actif.

Comme exemple de la puissance du principe anthropique, considérons le nombre de dimensions de l’espace. Il est bien connu par la pratique que nous vivons dans un espace tridimensionnel. Cela signifie que la position d'un point dans l'espace peut être spécifiée par trois nombres, tels que la latitude, la longitude et l'altitude. Mais pourquoi l’espace est-il tridimensionnel ? Pourquoi pas deux, pas quatre, pas un autre nombre de dimensions, comme cela se produit dans la science-fiction ? Dans la théorie M, l’espace a neuf ou dix dimensions, mais on pense que six ou sept d’entre elles sont réduites à de très petites dimensions et que seules trois dimensions sont suffisamment grandes pour être à peu près plates (Figure 3.11).

Pourquoi ne vivons-nous pas un scénario dans lequel huit dimensions s’effondrent et où seules deux sont perceptibles ? Les animaux bidimensionnels auraient du mal à digérer la nourriture. Si leur tube digestif traversait, cela diviserait l'animal en deux et la pauvre créature s'effondrerait. Ainsi, deux dimensions plates ne suffisent pas pour une vie complexe et intelligente.

D’un autre côté, s’il y avait quatre dimensions « dépliées » ou plus, l’attraction gravitationnelle entre les deux corps augmenterait plus rapidement à mesure qu’ils se rapprocheraient. Cela signifie qu’il n’y aurait pas d’orbites stables pour les planètes autour des étoiles. Les planètes tomberaient sur les étoiles (Fig. 3.12, en haut) ou disparaîtraient dans l'obscurité et le froid de l'espace environnant (Fig. 3.12, en bas).

De même, les orbites des électrons dans les atomes seraient instables et la matière que nous connaissons ne pourrait pas exister. Ainsi, même si le concept d’histoires multiples permet l’existence d’un nombre illimité de dimensions déployées, seuls les scénarios comportant trois de ces dimensions peuvent avoir des êtres intelligents. Ce n’est que dans ces scénarios que la question se posera : « Pourquoi l’espace a-t-il trois dimensions ? »

L’histoire la plus simple de l’Univers dans un temps imaginaire est celle d’une sphère semblable à la surface de la Terre, mais avec deux dimensions supplémentaires (Fig. 3.13).

L’histoire la plus simple et sans frontières dans le temps imaginaire est une sphère. Il détermine en temps réel l’histoire qui connaît une expansion inflationniste.

Il précise en temps réel, qui fait l'objet de notre expérience, une histoire dans laquelle l'Univers est le même en tous points de l'espace et s'étend dans le temps. En ce sens, il est similaire à l’Univers dans lequel nous vivons. Cependant, le taux d’expansion est très élevé et continue d’augmenter. Cette expansion accélérée est appelée inflation car elle ressemble à une hausse des prix à un rythme toujours plus rapide.

L’inflation des prix est généralement considérée comme une chose négative, mais dans le cas de l’univers, elle est très bénéfique. Une forte inflation aplatit tous les amas de matière qui auraient pu se former au début de l’Univers. À mesure que l’Univers s’étend, il emprunte de l’énergie au champ gravitationnel pour créer davantage de matière. L’énergie positive de la matière est exactement équilibrée par l’énergie gravitationnelle négative, de sorte que le bilan énergétique total est nul. Lorsque l’Univers double sa taille, l’énergie de la matière et de la gravité double également – ​​mais deux fois zéro reste zéro. Si seulement le monde bancaire était aussi simple (Figure 3.14) !

Riz. 3.14. Univers inflationniste

Univers inflationniste

Dans le modèle chaud du Big Bang, dans les premiers stades de l’Univers, l’énergie thermique ne disposait pas de suffisamment de temps pour circuler d’une région de l’Univers à une autre. Cependant, nous observons que la température du rayonnement de fond micro-onde est la même dans toutes les directions. Cela signifie que dans son état initial, l’Univers devait avoir partout exactement la même température.

Dans le but de trouver un modèle dans lequel de nombreuses configurations initiales différentes pourraient évoluer vers quelque chose de similaire à l'Univers moderne, il a été proposé que l'Univers primitif ait traversé une ère d'expansion très rapide. Cette expansion est dite inflationniste, ce qui signifie qu’elle se produit à un rythme de plus en plus rapide plutôt qu’à un rythme plus lent, comme l’expansion observée aujourd’hui. L’existence d’une telle phase d’inflation pourrait expliquer pourquoi l’Univers se ressemble dans toutes les directions, puisque dans l’Univers primitif, la lumière avait le temps de voyager d’une région de l’Univers à l’autre.

L’histoire dans le temps imaginaire d’un Univers qui continue de s’étendre à jamais dans un régime inflationniste est une sphère parfaite. Cependant, dans notre propre Univers, l’expansion inflationniste a ralenti après une fraction de seconde et des galaxies ont commencé à se former. Dans le temps imaginaire, cela signifie que l’histoire de notre Univers est une sphère légèrement aplatie au pôle sud.

Dans le cas où l'histoire de l'Univers dans le temps imaginaire est une sphère idéale, elle correspond en temps réel à l'histoire de l'Univers, qui continue toujours à gonfler sur un mode inflationniste. Pendant qu’elle gonfle, la matière ne peut pas se condenser et former des galaxies, des étoiles et la vie, sans parler du développement d’êtres intelligents comme nous. Par conséquent, même si les histoires idéalement sphériques de l’Univers dans un temps imaginaire sont autorisées par l’idée d’une multiplicité d’histoires, elles ne présentent pas un grand intérêt. Les histoires du temps imaginaire, légèrement aplaties au pôle sud de la sphère, nous conviennent bien mieux (Fig. 3.15).

Dans ce cas, l’historique en temps réel correspondant ne se développera selon un mode inflationniste accéléré qu’au début. Et puis l’expansion commencera à ralentir et des galaxies pourront se former. Pour qu’une vie intelligente émerge, l’aplatissement au pôle sud doit être très faible. Cela signifiera que l’Univers s’étendra initialement jusqu’à atteindre une taille monstrueuse. Des niveaux records d’inflation monétaire ont été enregistrés en Allemagne entre les deux guerres mondiales, lorsque les prix ont augmenté des milliards de fois, mais l’ampleur de l’inflation que l’univers a dû connaître est au moins un milliard de milliards de fois supérieure (graphique 3.16).

L'inflation en Allemagne a commencé après la fin de la Première Guerre mondiale et, en février 1920, le niveau des prix avait été multiplié par 5 par rapport à 1918. Après juillet 1922, une phase d'hyperinflation a commencé. Toute confiance dans la monnaie a disparu et, en quinze mois, l’indice des prix a augmenté de plus en plus vite, dépassant les capacités des presses à imprimer, qui ne pouvaient pas suivre l’impression de la monnaie au même rythme qu’elle se dépréciait. À la fin de 1923, 300 usines de papier fonctionnaient à pleine capacité et 150 imprimeries disposaient de 2 000 presses à imprimer produisant des billets de banque 24 heures sur 24.

En raison du principe d’incertitude, l’univers ne devrait pas avoir une seule histoire contenant une vie intelligente. Au contraire, l’ensemble des histoires en temps imaginaire forme toute une famille de sphères légèrement déformées, dont chacune correspond à une histoire en temps réel, avec une inflation inflationniste longue, mais non interminable, de l’Univers. On pourrait se demander : laquelle de ces histoires admissibles est la plus probable ? Il s'avère qu'elle n'est pas parfaitement plane, mais qu'il s'agit d'une surface avec de minuscules hausses et dépressions (Fig. 3.17).

Riz. 3.17 Histoires probables et incroyables

Des histoires fluides comme UN très probablement, mais il n’en existe qu’un petit nombre.

Bien que toute histoire de forme légèrement irrégulière semble b ou c lui-même est moins probable, leur nombre est si grand que, très probablement, l'histoire de l'Univers révélera de petits écarts par rapport à la douceur.

Il est vrai que ces répercussions sur l’histoire la plus probable sont à peine perceptibles. Les écarts par rapport à une surface plane sont de l’ordre d’un sur cent mille. Cependant, bien qu’ils soient extrêmement petits, nous pouvons les observer sous forme de petites variations du rayonnement micro-ondes provenant de différentes directions de l’espace. Le satellite Cosmic Background Explorer (COBE), lancé en 1989, a cartographié le ciel dans la gamme des micro-ondes.

Une carte du ciel entier obtenue par l'instrument NAME du satellite COBE plaide en faveur de l'existence de plis temporels.

La couleur indique des différences de température, toute la gamme allant du rouge au bleu correspondant à un écart de seulement un dix millième de degré - ces différences entre les régions de l'Univers primitif sont suffisantes pour que l'excès de gravité dans les régions plus denses arrête leur interminable expansion et provoquer une compression sous l’influence de l’autogravité, conduisant à la formation de galaxies et d’étoiles. Ainsi, la carte COBE, en principe, n’est rien de plus ou de moins qu’un plan de toutes les structures de l’Univers.

À quoi ressemblera l’avenir des histoires les plus probables de l’Univers compatibles avec l’émergence d’êtres intelligents ? Il existe différentes options ici en fonction de la quantité de matière dans l'Univers. Si elle dépasse une certaine valeur critique, l’attraction gravitationnelle entre les galaxies ralentira et finira par arrêter leur expansion. Ensuite, ils commenceront à tomber l’un vers l’autre et convergeront dans le Big Crunch, qui marquera la fin de l’histoire de l’Univers en temps réel (Fig. 3.18).

L’un des scénarios possibles pour la fin de l’Univers est le Big Crunch, un cataclysme géant au cours duquel toute la matière est aspirée dans un puits gravitationnel.

Si la densité de l’Univers est inférieure à une valeur critique, la gravité est trop faible pour empêcher les galaxies de se séparer pour toujours. Toutes les étoiles s’éteindront et l’Univers deviendra de plus en plus vide et froid. Ici aussi, tout aura une fin, même si ce n’est pas si dramatique. Quoi qu’il en soit, l’Univers existera pendant encore plusieurs milliards d’années (Fig. 3.19).

Un long et glacial hurlement où tout se fige et où les dernières étoiles s'éteignent, épuisant leurs réserves de carburant.

Outre la matière, l'Univers peut contenir ce qu'on appelle l'énergie du vide, qui est présente même dans un espace apparemment vide. D'après la célèbre équation d'Einstein E = mc 2 L'énergie du vide a une masse. Cela signifie qu’il a une influence gravitationnelle sur l’expansion de l’Univers. Cependant, il est tout à fait remarquable que l’effet de l’énergie du vide soit opposé à celui de la matière ordinaire. La substance ralentit l’expansion et peut éventuellement l’arrêter et l’inverser. L’énergie du vide, au contraire, accélère l’expansion, comme l’inflation. En fait, elle agit exactement comme la constante cosmologique qu’Einstein, comme indiqué au chapitre 1, a ajoutée à ses équations originales en 1917 lorsqu’il s’est rendu compte qu’elles n’admettaient pas de solution correspondant à un univers stationnaire. Après la découverte par Hubble de l'expansion de l'Univers, la base permettant d'ajouter une constante cosmologique aux équations a disparu et Einstein l'a rejetée comme une erreur.

Cependant, ce n’était peut-être pas du tout une erreur. Comme nous l’avons vu au chapitre 2, nous comprenons maintenant que la théorie quantique indique que l’espace-temps est rempli de fluctuations quantiques. Dans la théorie supersymétrique, les énergies infinies positives et négatives de ces fluctuations de l’état fondamental sont mutuellement neutralisées par des particules de spins différents. Mais nous ne pouvons pas nous attendre à ce que les énergies positives et négatives s’annulent si précisément qu’il ne reste même pas une petite quantité finie d’énergie du vide, puisque l’Univers n’est pas dans un état supersymétrique. La seule surprise est que cette énergie est si proche de zéro qu’elle n’a jamais été détectée auparavant. C'est peut-être une autre manifestation du principe anthropique. Une histoire avec une plus grande énergie du vide n'aurait pas abouti à la formation de galaxies et n'aurait pas contenu des êtres qui se poseraient la question « Pourquoi l'énergie du vide a-t-elle la valeur que nous observons ?

Vous pouvez essayer de déterminer la quantité de matière et d'énergie du vide dans l'Univers à l'aide de diverses méthodes d'observation et présenter les résultats sur un diagramme, où la densité de matière est tracée le long de l'axe horizontal et l'énergie du vide est tracée le long de l'axe vertical. . La ligne pointillée montre les limites de la région dans laquelle la vie intelligente est capable de se développer (Fig. 3.20).

En combinant les observations de supernovae lointaines et de rayonnements cosmiques micro-ondes avec des données sur la répartition de la matière dans l'Univers, il est possible de déterminer l'énergie du vide et la densité de la matière dans l'Univers avec une très grande précision.

Même en un mot, je me considérerais comme le maître d’un vaste espace.

W. Shakespeare. Hamlet. Acte 2, Sienne 2

Les observations de supernovae, d'amas de galaxies et du fond micro-onde définissent également leurs zones sur ce diagramme. Heureusement, ces trois domaines se recoupent en commun. Si les densités de matière et l’énergie du vide se situent à cette intersection, cela signifie que l’expansion de l’Univers a recommencé à s’accélérer après une longue période de décélération. Il semble que l’inflation soit une loi de la nature.

Dans ce chapitre, nous avons montré comment le comportement spatial de l’Univers peut être expliqué en termes de son histoire dans le temps imaginaire, qui est une minuscule sphère légèrement aplatie. Quelque chose comme la coquille d'Hamlet, seul tout ce qui se passe en temps réel est codé dans cette noix. Hamlet avait donc tout à fait raison. Nous pouvons nous enfermer dans une coquille et néanmoins nous considérer comme les rois du cosmos infini.

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