Notre Univers est-il unique - LPSC

• savoirs
DE NOUVELLES CONCEPTIONS DU MONDE
40 • les dossiers de la recherche | avril 2012 • N° 48
Notre Univers
est-il unique ?
La physique et l’astronomie ont montré que la Terre, le Soleil et même
notre Galaxie appartiennent à de vastes ensembles d’objets identiques.
Aujourd’hui, c’est au tour de l’Univers de perdre sa singularité.
E
tonnamment, les lois
de la physique sem-
blent « miraculeu-
sement » adaptées à
l’existence de la vie.
Alors que l’immense majorité
des lois possibles conduirait à un
Univers morne et uniforme, nous
observons, tout au contraire, un
cosmos polychrome et largement
diversifié. L’état « réel » de notre
Univers semble donc très atypique
et comme explicitement « sélec-
tionné » dans l’infinité des possi-
bles pour favoriser notre existence
(lire l’encadré).
Prendre cette impression au
sérieux est le pas que franchit
l’hypothèse du dessein intelligent.
Selon cette approche, l’évolution
de l’Univers aurait été orientée
par une intelligence supérieure et
extérieure (autrement dit, Dieu) de
façon à permettre la vie humaine.
C’est une proposition anthropo-
centrique, puisque le cosmos tout
entier se trouve assujetti, dans
son déploiement, à notre pro-
pre espèce. C’est une proposition
théologique, puisqu’elle recourt
explicitement à l’intervention
divine pour rendre compte du
monde observé. Et c’est une pro-
position téléologique puisqu’elle
se fonde sur une vision finaliste :
le système n’évolue pas conformé-
ment à des lois qui le gouvernent
mais de façon à atteindre un but
préalablement choisi.
Quelles alternatives à ce schéma ?
La première piste consiste à sup-
poser que lors du « coup de dés »
initial, sélectionnant un type de
lois particulier, nous avons joui
d’une chance extraordinaire. Au
sein de la gigantesque diversité des
potentialités, nous sommes tom-
bés, par hasard, sur celle – très spé-
cifique et très particulière – per-
mettant l’émergence d’un Univers
complexe. C’est une explication
possible. Mais guère convain-
cante et artificielle. S’il s’agissait
de la seule alternative à la propo-
sition du dessein intelligent, cette
dernière serait peut-être la seule
véritable interprétation cosmique
dont nous disposerions.
Mais il existe une seconde piste
permettant de demeurer dans le
cadre d’une explication stricte-
ment physico-mathématique de
l’évolution cosmologique sans
recourir à un phénomène extra-
ordinairement improbable. C’est
très exactement ce que permet le
modèle des univers multiples ou
multivers. Imaginons que les dés
ont été tirés une infinité de fois.
LE DÉVELOPPEMENT DE
STRUCTURES COMPLEXES
La « séquence » particulière cor-
respondant à l’émergence d’un
Univers abritant des galaxies, des
étoiles et des planètes va alors
nécessairement se produire. Aussi
improbable soit-elle, elle se réa-
lisera immanquablement ! Il est
peu probable de gagner à la loterie
si l’on joue une fois. Mais c’est tout
à fait inévitable si l’on joue une
infinité de fois ! Le cadre est donc
le suivant : considérons une mul-
titude – peut-être une infinité –
d’univers emplis par des lois dif-
férentes. Parmi ceux-ci, certains
seront naturellement hospitaliers
et permettront le développement
de structures complexes.
Le schème d’ensemble est cohé-
rent. Il permet de rendre compte
de la spécificité de notre Univers.
Celui-ci est particulièrement
adapté à l’existence d’objets fra-
giles et composés de multiples
sous-structures : les êtres vivants
étant de tels objets, ils se trouvent
L’essentiel
Le dessein intelligent affirme qu’une intelligence supérieure >
guide l’évolution de l’Univers.
À l’inverse, une hypothèse fondée sur une démarche >
scientifique propose que notre monde ne serait qu’un univers
parmi une infinité d’autres.
Cette hypothèse des multivers est confortée par des >
modèles physiques récents qui décrivent le cosmos.
Le dessein intelligent affirme qu’une intelligence supérieure >
guide l’évolution de l’Univers.
À l’inverse, une hypothèse fondée sur une démarche >
scientifique propose que notre monde ne serait qu’un univers
parmi une infinité d’autres.
Cette hypothèse des multivers est confortée par des >
modèles physiques récents qui décrivent le cosmos.
* Le facteur
d’échelle est une
grandeur décrivant
l’évolution de la
distance relative
entre deux points
de l’Univers n’ayant
pas de mouvement
autre que celui
de « l’Univers lui-
même ».
* L’inflation
cosmique est
l’augmentation
considérable de la
taille de l’Univers
dans ses premiers
instants.
* Le modèle
cosmologique
standard décrit
la dynamique de
l’Univers dans le
cadre de la relativité
générale à partir
d’une phase très
dense et très chaude
(Big Bang).
Aurélien
Barrau
est
professeur à
l’université Joseph-
Fourier, chercheur
au laboratoire
de physique
subatomique
et de cosmologie
de Grenoble (CNRS-
IN2P3), membre
de l’Institut
universitaire
de France.
N° 48 • avril 2012 | les dossiers de la recherche • 41
que celles ou elle s’arrête, donc le
processus global ne s’achève fina-
lement jamais. Il existe donc un
mécanisme fiable, élaboré hors de
tout désir de constituer un mul-
tivers de manière ad hoc, et qui
permet de créer des mondes. Mais
peut-on emplir ces univers avec
des lois physiques diérentes ?
C’est exactement ce que permet
aujourd’hui la théorie des cordes.
Ce modèle, très spéculatif, tente
de décrire les particules connues
comme diérents modes de vibra-
tion de cordes élémentaires. À
l’instar d’une corde d’instrument
de musique qui peut générer tou-
tes les notes de la gamme, les cor-
des fondamentales pourraient
engendrer les particules identi-
fiées en vibrant de différentes
manières. Pour que cette théorie
soit cohérente, six dimensions spa-
tiales supplémentaires recourbées
sur elles-mêmes doivent exister.
La théorie a connu plusieurs
cosmologique standard*. Cette
inflation est presque indispen-
sable pour résoudre beaucoup de
paradoxes et, surtout, pour géné-
rer les petites fluctuations qui sont
ensuite devenues les galaxies que
nous observons aujourd’hui.
De plus, la physique des par-
ticules élémentaires a montré
qu’il était relativement aisé de
produire, sur des bases bien com-
prises, une telle inflation. Elle est
donc à la fois nécessaire – du point
de vue cosmologique – et assez
naturelle – du point de vue de
la physique des particules. Or,
quand on la regarde de près, cette
inflation semble créer non pas un
Univers mais une structure arbo-
rescente d’univers, autrement dit
une infinité d’univers-bulles indé-
pendants les uns des autres !
La raison fondamentale est la
suivante : les zones de l’espace où
l’inflation se poursuit sont expo-
nentiellement plus « nombreuses »
Des univers-bulles : selon la théorie de l’inflation éternelle, la phase d’expansion considérable qui a suivi le Big Bang se poursuit dans de multiples
zones de l’espace, donnant naissance à une structure arborescente d’univers-bulles indépendants les uns des autres.
WWW.ILLUSTRER.FR ©
naturellement dans l’un des uni-
vers permettant l’existence de ces
structures.
Néanmoins, pour devenir
convaincante, la proposition ne
doit évidemment pas être inven-
tée de toutes pièces. Elle n’est
scientifiquement fondée que s’il
existe des mécanismes permet-
tant de générer ces univers mul-
tiples et de les structurer avec
des lois physiques différentes.
Autrement dit, le multivers ne doit
pas être seulement une hypothèse
qui serait alors très artificielle,
mais une conséquence de modè-
les élaborés pour de toutes autres
raisons. C’est, dans une certaine
mesure, le cas aujourd’hui.
Comment générer des univers ?
Ce n’est pas si dicile ! Depuis
longtemps, une phase d’expansion
considérable du facteur d’échelle*
dans les premiers instants suivant
le Big Bang – que l’on nomme l’in-
flation* – fait partie du modèle >>>

• savoirs
DE NOUVELLES CONCEPTIONS DU MONDE
42 • les dossiers de la recherche | avril 2012 • N° 48
>>>
Notre Univers
est-il unique ?
évolutions significatives. La
dernière d’entre elles, celle qui
importe pour le multivers, est la
découverte, dans les années 2000,
du « paysage », c’est-à-dire de la
diversité des manières de « com-
pactifier » ces six dimensions sup-
plémentaires. Cette diversité est
si considérable qu’il s’ensuit une
quasi infinité de lois physiques
eectives diérentes !
L’inflation crée donc des univers
et la théorie des cordes les struc-
ture avec des lois diérentes. Ces
ingrédients sont exactement ceux
qui permettent de façonner un
multivers. Mais, de façon intéres-
sante, le multivers apparaît aussi,
en un sens plus restreint, dans des
modèles physiques moins spécu-
latifs et mieux contrôlés que la
théorie des cordes.
La relativité générale, notre
théorie de la gravitation, prédit
un espace strictement infini dans
deux des trois géométries com-
patibles avec la cosmologie – les
géométries plane et hyperbolique.
Auquel cas les univers, c’est-à-dire
les zones en mesure d’échanger
des informations, y sont néces-
sairement en nombre infini ! Dans
ce cadre, les lois ne changent pas
d’un univers à l’autre, mais les
phénomènes peuvent changer.
Tout ce qui est compatible avec les
lois connues doit eectivement se
produire. Et même se produire une
infinité de fois ! En particulier, il
doit par exemple exister une infi-
nité de copies à l’identique de cha-
cun d’entre nous. Copies qui peu-
vent avoir des futurs diérents :
toutes les éventualités envisa-
geables doivent se produire dans
le multivers.
L’autre grande théorie du XXe siè-
cle, la mécanique quantique,
conduit, elle aussi, à une forme
de multivers. Dans l’interpréta-
tion qu’en a proposée le physicien
américain Hugh Everett, lorsqu’un
système quantique interagit avec
un système classique, il se pro-
duit un embranchement en uni-
vers parallèles. Quand un système
quantique, se trouvant donc dans
une superpositions d’états, inter-
agit avec un système classique,
on considère généralement que
l’état du système quantique est
« réduit » par cette opération : un
seul des multiples états quanti-
ques subsiste. Au contraire, dans
l’interprétation d’Everett, tous les
* La gravitation
quantique à
boucles est une
théorie qui tente
de concilier la
relativité générale
et la mécanique
quantique.
N° 48 • avril 2012 | les dossiers de la recherche • 43
le principe anthropique, formulé notamment par le théo-
ricien Brandon Carter, actuellement à l’observatoire de Meudon,
souligne que la position particulière de l’observateur humain dans
l’Univers doit être prise en compte dans toute observation. Beaucoup
de physiciens y voient un retour aux vieux démons anthropocen-
triques précoperniciens. C’est exactement de l’inverse qu’il s’agit.
Ce principe énonce en fait une banalité qu’aucun scientifique ne
conteste : il rappelle, par exemple, que notre planète, la Terre, n’est
pas représentative de l’ensemble de l’Univers. Ce qui est incontes-
tablement exact !
si l’on souhaite se forger une image globale de l’Univers
à partir des observations locales, il est important de tenir compte de
ce que notre position est « biaisée » : nous sommes évidemment en
terrain hospitalier. La même précaution doit être prise dans le mul-
tivers. Notre univers n’a aucune raison d’être représentatif du mul-
tivers. Pour faire des prédictions sur les autres univers, il est impor-
tant de tenir compte du « biais anthropique ». C’est très exactement
ce qu’énonce ce principe. Il ne cherche en rien à remettre l’homme
au centre de l’Univers et moins encore à expliquer les lois physi-
ques à partir de notre existence : il rappelle simplement que nous
devons être attentifs aux conditions particulières depuis lesquelles
nous observons.
il est Donc clair que le recours au principe anthropique, en tant
que précaution opératoire, ne s’inscrit en rien dans la continuité du
dessein intelligent mais, au contraire, dans une ferme opposition à
cette hypothèse. Après avoir été géocentrée (sur la Terre), héliocen-
trée (sur le Soleil), galactocentrée (sur notre Galaxie), cosmocentrée
(sur notre Univers), notre représentation devient peut-être stricte-
ment acentrique. Le principe anthropique est l’élément qui permet
de mener des calculs signifiants dans ce nouveau cadre.
Le principe anthropique renforce l’hypothèse des multivers
conséquence de modèles. Or ces
modèles, élaborés pour répondre
à des questions précises de phy-
sique des particules et de gravita-
tion relativiste, peuvent être mis
à l’épreuve de l’expérience au sein
de notre univers. S’ils venaient
à être infirmés, toutes leurs pré-
dictions, y compris bien évidem-
ment ce lot d’univers multiples,
s’évanouiraient. Au contraire, s’ils
devenaient le cadre dans lequel se
pense la physique locale, il y aurait
sans doute quelque chose de l’or-
dre de l’obstination à leur refuser
la conséquence « multivers », alors
même qu’elle permet de résoudre
le paradoxe de l’ajustement fin des
lois et des constantes.
VERS UNE REDÉFINITION
DE LA PHYSIQUE
De plus, quand bien même la
proposition ne serait pas entière-
ment réfutable, faudrait-il néces-
sairement s’en ousquer ? Tous les
champs disciplinaires se transfor-
ment de l’intérieur. Aucune des
créations artistiques du début du
XXe siècle n’aurait été considérée
comme de l’art par un esthéticien
de la Renaissance. Si les physiciens
venaient aujourd’hui à ressen-
tir le désir ou le besoin de redéfi-
nir les linéaments de leur propre
domaine, il y aurait peut-être un
plus grand danger encore à les en
dissuader a priori qu’à envisager
sérieusement la possibilité d’un
nouveau mode de pensée.
Au sein du multivers, la phy-
sique se passe de Dieu. Elle ne
change pas radicalement ses
règles, mais déforme sans doute
un peu ses contours ontologi-
ques. Qu’en contrepoint d’une
réflexion scientifique se dessine
une réflexion philosophique est
sans aucun doute réjouissant.
C’est la question du multiple qui
est ici posée. Donc, potentielle-
ment, celle d’une déconstruction
du mythe de « l’unicité » qui ver-
tèbre pourtant toujours un large
pan de notre histoire.
n
petits atomes fondamentaux.
Quand les principes de la gravi-
tation quantique à boucles sont
appliqués à l’Univers lui-même,
le Big Bang disparaît. Ce qui n’est
finalement pas étonnant puisqu’il
constituait une prédiction de la
relativité générale là où, juste-
ment, elle cesse d’être valide. Au
lieu du Big Bang, c’est un grand
rebond (un Big Bounce) qui se des-
sine. Il existerait donc un autre uni-
vers, en amont du nôtre. Il se serait
contracté et aurait engendré la
phase d’expansion que nous obser-
vons actuellement. Phénomène
qui peut d’ailleurs se produire plu-
sieurs, voire une infinité de fois.
Avec la relativité générale, la
mécanique quantique et la gravi-
tation à boucles, ce sont donc des
multivers séparés dans l’espace et
dans le temps, ou alors situés dans
un ailleurs radical qui se dessinent
éventuellement. La proposition
est évidemment vertigineuse. Elle
redessine les contours de notre
rapport au monde. Mais est-elle
encore scientifique, c’est-à-dire
peut-on prouver cette assertion
ou, plus précisément, la réfuter ?
La réponse est, en principe, posi-
tive pour une raison simple évo-
quée précédemment : le multivers
n’est pas un modèle, il est une
états continuent à exister, chacun
dans un Univers. Autrement dit, il
pourrait exister un monde où un
individu est vivant et un autre
où il est mort. Et dans ce cas, la
« superposition » qui permet à un
objet quantique de se trouver dans
plusieurs états en même temps ne
cesserait jamais : elle se déploie-
rait en univers parallèles.
LE BIG BANG REMPLACÉ
PAR UN REBOND
Cependant, tentons de dépas-
ser la séparation habituelle entre
mécanique quantique et relativité
générale. C’est moins une ques-
tion d’unification que de cohé-
rence interne. La tâche est extra-
ordinairement ardue puisque le
cadre fixé de la théorie quantique,
l’espace-temps, est justement le
champ dynamique de la relativité
générale. La démarche qui permet
de concilier ces deux approches le
plus ecacement sans recours à
des hypothèses révolutionnaires
supplémentaires se nomme « gra-
vitation quantique à boucles* ».
Elle permet de concilier les deux
grands piliers de notre physique
au sein d’un cadre mathémati-
que cohérent et de faire émer-
ger l’image révolutionnaire d’un
espace discontinu, composé de
Des univers répétés à l’infini : selon la théorie de la relativité générale, l’espace est infini. La vitesse
de la lumière étant finie, nous ne pouvons en observer qu’une partie. Il pourrait exister au-delà de nos
observations une infinité d’univers avec des lois de la physique identiques aux nôtres.
Des univers parallèles : selon une interprétation de la mécanique quantique, proposée en 1957 par
le physicien américain Hugh Everett, la superposition des états quantiques qui permet à un objet quanti-
que de se trouver dans plusieurs états en même temps, se déploierait en univers parallèles.
WWW.ILLUSTRER.FR ©
WWW.ILLUSTRER.FR ©