Multiverse & Parallel Universes - Hermann Weyl (1885-1955) -  Albert Einstein (1879-1955) - Nathan Rosen (1909-1995)  - John Wheeler (1911-2008) - Hugh Everett III (1930-1982) - Gabriele Veneziano (1942) - Yoichiro Nambu (1921-2015) - Leonard Susskind (1940) - Brandon Carter (1942) - Holger Bech Nielsen (1941) - Kip Thorne (1940) - Stephen Hawking (1942) - Alexander Vilenkin (1949) - Max Tegmark (1967) - ...

Last update: 09/10/2017

En 1895, le philosophe et psychologue américain William James (1842-1910) s'interroge sur la multiplicité des choix moraux auxquels nous sommes confrontés dans notre humanité, et dans son essai "Is Life Worth Living?" (La vie vaut-elle d'être vécue?), écrit "Truly, all we know of good and duty proceeds from nature… (which) is all plasticity and indifference – a moral multiverse, as one might call it", forgeant ainsi un néologisme dont vont s'emparer physiciens et cosmologistes pour aborder une hypothèse surprenante : cet Univers dans lequel nous existons et que nous sommes en mesure d’observer, est-il  réellement unique? En fait, depuis la nuit des temps, l'hypothèse n'a cessé de hanter la philosophie et la métaphysique, sommes nous seuls dans l'Univers, Dieu n'a -t-il pas créé le meilleur des mondes possibles? ou Dieu avait-il réellement le choix lorsqu'il créa l'Univers?, pour paraphraser Albert Einstein. Ici, le terme "multivers" entend exprimer que notre Univers n'est qu'un univers parmi d'autres univers s'étendant à l'infini, en lien avec la théorie de l'expansion éternelle qui conduit inéluctablement à une multitude d'univers. Et cette hypothèse s'imposerait d'autant plus qu'elle n'est que la conséquence logique des modèles mathématiques de la physique théorique, une modélisation mathématique qui seule nous permet de structurer notre connaissance de la nature profonde du réel, des particules élémentaires au cosmos observable en passant par l'esprit lui-même: "tout objet mathématique a une existence physique", postule le cosmologiste Max Tegmark ("Our Mathematical Universe: My Quest for the Ultimate Nature of Reality"). Le cosmologiste Alexander Vilenkin, suivant un cheminement différent, aborde de même cette hypothèse en en dressant un tableau saisissant dans ses conséquences ultimes (Many Worlds in One: The Search for Other Universes). La cosmologie s'empare ainsi d'une interrogation fondamentale pour tenter d'en construire une théorie scientifique qui ne serait en fin de compte que l'aboutissement inévitable de notre tentative de compréhension de notre Univers. 

Reste pourtant une interrogation persistante qui ne peut être ignorée, globalement notre monde coexisterait avec d'autres univers, différents et inaccessibles entre eux, mais nos possibilité de perception et de réflexion sont tant dépendantes de notre monde que nous ne pourrons jamais en observer d'autres : l'interrogation ne peut être évacuée, ne serait-ce que parce que nous sentons confusément de l'inexprimé en ce monde, de l'indicible, et des situations aux limites de l'existence, telle que la mort, pour éviter d'évoquer le "paranormal" que nous n'aborderons guère ici. Certes, notre vie et notre conscience sont trop finement assujetties aux paramètres physiques de notre Univers, et inversement, un univers dit observable de 47 milliards d'années-lumière borné par le seul fait que la lumière des galaxies qui se situeraient au-delà, n'ont guère de chance de nous parvenir depuis les 13,7 milliards d'années d'existence de notre Univers. Mais cette représentation ou ces intuitions cosmologiques ne sont pas seules à entrer en ligne de compte, la mort et au-delà, le bruit de fond cosmique ou l'intuition structurante des mathématiques semblent aussi nous conduire à l'étrange intuition d'univers parallèles ...

Question philosophique, métaphysique sans doute, la problématique des univers parallèles ne cessent, sous une forme ou sous une autre, d'interroger la Science, de l'infiniment petit à l'infiniment grand, l'hypothèse est constamment présente, aux limites de ce qui peut être théorisé ou calculé. En 1905, Einstein poursuivait le grand projet d'unifier la force de gravité, que sa théorie restructure, avec la force électromagnétique. La théorie d’Einstein décrit l’espace-temps comme un milieu continu à géométrie variable qui, tel une membrane élastique, est déformé par la présence de corps massifs ou de toute autre forme d’énergie. Plus un corps est dense, plus la déformation de l’espace-temps est importante. Les bases de la mécanique quantiques, qui rend compte du monde de l'infiniment petit, sont ensuite jetées, vingt ans plus tard, par trois grandes énormes personnalités. Erwin Schrödinger (1887-1961), en 1925 pose, avec son équation différentielle, les bases de la mécanique quantique; Werner Heisenberg parvient à la conclusion qu'il est impossible de déterminer avec précision la position et la vitesse d'une particule et formalise ses idées via une mécanique matricielle alors peu usitée dans le monde de la physique, et enfin Paul Dirac (1902-1984) réconcilie formalisme de la mécanique quantique d'Heisenberg et celui de Schrödinger et  introduit la relativité restreinte dans la mécanique quantique. Dès lors, se révèle aux physiciens une bien étrange théorie qui semble suggérer que tout événement affectant une particule quantique la conduit à se comporter de deux manières entièrement différentes, fonction d'onde ou fonction de particule : Niels Bohr soutient alors cette fameuse interprétation de l'Ecole de Copenhague qui, pour expliquer le comportement singulier et aléatoire des particules subatomiques, formule que les particules quantiques n'existent pas uniquement selon tel ou tel état, mais dans un état de superposition cohérente de tous les états possibles, le processus de réduction d'onde ne sélectionne qu'un seul univers, l'univers dans lequel on effectue la mesure. Nous sommes ainsi au seuil de la théorie des mondes multiples, et la quête de la grande unification des particules élémentaires et de leurs interactions fondamentales,  des quatres grandes forces fondamentales de la Nature, de l'infiniment petit à l'infiniment grand, ne cessera d'être hantée par cette idée si singulière des univers parallèles ..

Les premiers ordinateurs apparaissent et les années 1940 ont vu se développer l'électrodynamique quantique, notamment avec Richard Feynman et la problématique de l'interaction électromagnétique à l'échelle quantique. Dans les années 1960, le modèle standard de la physique des particules (Standard Model) révèle la pluralité des particules subatomiques connues, et les interactions qui les affectent. C'est à partir de cette époque que la recherche d'une "théorie du tout" ( theory of everything (ToE), final theory, ultimate theory) suscite à nouveau nombre de travaux pour tenter d'unifier théoriquement les quatre forces fondamentales : la "gravité" ("Gravity", force responsable de la chute des corps, du mouvement des corps célestes, et de l'attraction entre des corps ayant une masse), l' "interaction faible" ("the Weak Force", force nucléaire faible qui affecte toutes les catégories de fermions connues, à commencer par les électrons, les quarks et les neutrinos) et l' "électromagnétisme" ("the Electromagnetic Force"), décrites toutes deux via une théorie unique (la théorie électrofaible), l' "interaction forte" ("the Strong Force", force nucléaire qui agit sur les quarks, antiquarks et gluons). Mais la nature même de l'Univers semble imposer une incompatibilité infranchissable entre la mécanique quantique et la relativité générale, nous ne parvenons pas à décrire l'univers à son origine, au seuil de la création de l'espace et du temps; et quant au temps lui-même, il n'est plus universel mais en dépendance du contexte ou de l'entité dans lequel il s'exprime, et plus encore il ne nous est d'aucun secours dans notre quête de la nature fondamentale des choses, simple repère dans un monde que nous voyons évoluer sans cesse. La théorie des cordes  (the String Theory) a ambitionné de réconcilier toutes les théories de la physique en proposant l'existence de six dimensions cachées en plus des trois dimensions de l'espace et de celle du temps. Les années 1970 verront la théorie des cordes un temps détrônée par la "chromodynamique quantique" (Quantum ChromoDynamics, de H. David Politzer, Frank Wilczek, David Gross) qui semble alors offrir une meilleure explication à l'interaction forte, et , dans les années 1980, la "gravitation quantique à boucles" (Loop Quantum Gravity, de Carlo Rovell et Lee Smolin) : mais ces théories qui tentent de concilier à la fois la notion d'espace-temps de la relativité générale avec les notions d'énergie et de matière de la mécanique quantique, ont pour conséquence, directement ou non, de réanimer l'idée du "multivers", voire du mouvement cyclique de l'univers qui rappelle les cosmologies indiennes ou chinoises des premiers siècles de notre ère, monde infini dans le temps mais dont l'extraordinaire variabilité dans l'espace condamne toute possibilité de théorisation, voire de compréhension...

1918, Hermann Weyl (1885-1955), physicien théoricien spécialiste des champs électromagnétiques, conçoit dans "Temps, Espace, Matière" (1922) d'hypothétiques fusions de l'espace et du temps en un seul continuum, sorte de tunnels théoriques dans l'espace (one-dimensional tubes). En 1957, John Wheeler (1911-2008), directeur de la fameuse thèse d'Everett qui formula l'interprétation de la mécanique quantique connue sous le nom d' "univers multiples",  reprend cette notion qu'il dénomme "wormhole" (trou de ver), une notion théoriquement possible d'après les lois de la relativité générale (1916) régissant l'univers : Albert Einstein (1879-1955) et Nathan Rosen (1909-1995) les conçoivent en effet comme des connexions semblables à des tunnels reliant des régions de l'espace-temps, les fameux "ponts d'Einstein-Rosen" (Einstein–Rosen bridges). La mise en doute de cette théorie vient notamment de la nécessité de penser que de tels trajets devraient impliquer des vitesses plus grandes que celle de la lumière, contrevenant ainsi à l'un des aspects de la relativité restreinte. John Wheeler poursuit ses réflexions en insistant sur l'instabilité foncière de tels "tunnels" et distinguant "tunnels de Lorentz" (Lorentzian wormholes), fidèles aux modèle standard d'Einstein, et "tunnels euclidiens" (Euclidean wormholes) qui n'existeraient que dans le monde théorique de la mécanique quantique. En 2010, Stephen Hawking (1942) conçoit des trous de vers non seulement dans l'espace interstellaire, mais aussi sur notre planète Terre, tout autour de nous, mais avec cette limitation que la radiation naturelle y est telle qu'elle exclut toute possibilité d'emprunter ces voies pour traverser le temps. Hors ces exposés, qui peuvent nous apparaître comme de la pure science-fiction, et utilisés comme tels, reste que la question théorique subsiste et que peut-être les problématiques sont-elles par trop mal formulées...

"Gravitation", Charles W. Misner, Kip S. Thorne et John Wheeler (1973)

Imposant ouvrage de référence en physique et "bible" de  la théorie de la gravité d'Einstein (relativité générale), divisé en deux parties, "spacetime physics" et "physics in flat spacetime"  - "Einstein's description of gravitation as curvature of spacetime led directly to that greatest of all predictions of his theory, that the universe itself is dynamic. Physics still has far to go to come to terms with this amazing fact and what it means for man and his relation with the universe." (John Wheeler) -, constitue le premier manuel sur le sujet, conçu dans un formalisme inédit, et nous livrant les techniques révolutionnaires développées au cours de la dernière décennie pour tester la théorie de la relativité générale. 

"A Brief History of Time: From the Big Bang to Black Holes", Stephen Hawking (Une brève histoire du temps, Du Big Bang aux trous noirs, 1988)

Ouvrage de vulgarisation scientifique à succès portant sur la cosmologie, préfacé par Carl Sagan, dans lequel Stephen Hawking tente d'expliquer à des non-initiés des phénomènes et théories cosmologiques fondamentaux, souvent étranges et paradoxaux, comme le Big Bang, le trou noir, le cône de lumière ou la théorie des cordes. Stephen Hawking (1942) consacre sa thèse de doctorat aux aspects les plus singuliers de la cosmologie, dont ces fameux points de l'espace-temps qui concentrent toute la masse d'un trou noir. Il établit un parallèle entre ces trous noirs et les conditions primaires de l'Univers lors du Big Bang. Dans les années 1970, étudiant la mécanique quantique et le comportement de la gravitation à l'échelle subatomique, il met en évidence à la limite extérieure des trous noirs, au-delà de laquelle rien ne peut échapper à l'attraction gravitationnelle qui s'y exerce, le "rayonnement de Hawking" : les trous noirs absorbent non seulement de la matière et de l'énergie, mais produisent des paires subatomiques, particules/antiparticules, exprimés via un rayonnement thermique à faible température. Il aboutit à la conclusion que les noirs trous peuvent s'évaporer, l'énergie, avec le temps, est emportée par ce rayonnement, provoquant progressivement une perte de masse, fatale pour le trou noir. Si en 2002 l'observation des étoiles en orbite à proximité du centre de notre galaxie suggère la présence d'un gigantesque trou noir, Stephen Hawking semble en 2014 abandonner l'idée même du "trou noir"...

"Black holes and Time Warps, Einstein's Outrageous Legacy",  Kip Thorne (1994)

"Trous noirs et distorsions du temps : l'héritage sulfureux d'Einstein" est un ouvrage de Kip Thorne, astrophysicien notoirement reconnu pour ses travaux sur les trous noirs et les différents effets de la gravité sur le continuum espace-temps, les trous de ver, les gravitons, les ondes gravitationnelles, et ses théories controversées sur les machines à voyager dans le temps et les multiples connections éventuelles de l'espace-temps ...

1954, la théorie de Yang-Mills jette les bases mathématiques d'une unification des quatre forces fondamentales, montrant que désormais la recherche mathématique entend expliciter, structurer, voire anticiper les phénomènes physiques observés. Comme Maxwell établissait en 1873 des équations pour décrire et corréler champ électrique et champ magnétique, Chen Ning Yang et Robert Mills allient théorie des champs et théorie quantique pour décrire l'interaction forte des particules élémentaires. Mais calculabilité et théorisation ne débouchent pas explicitement sur la compréhension des phénomènes...

1957, la théorie des "univers qui bifurquent" - Hugh Everett III (1930-1982) propose, malgré bien des oppositions, l'interprétation des mondes multiples de la physique quantique (The Theory of the Universal Wave Function, popularisé en "Many-worlds interpretation" par Bryce DeWitt). L'idée vient d'un paradoxe : le monde quantique est un monde où les particules subatomiques peuvent présenter un nombre indéfini d'états, de position, de vitesse, et surtout de superpositions, problème fondamental soulevé par  Schrödinger et sa fonction d'onde; or, le fait même d'observer un système quantique réduit toutes les options possibles, une seule option semble "choisie" dès que nous tentons une observation.  Chaque état de la particule peut créer un monde possible, et chaque observation ou expérience créera autant de mondes possibles, mais ce n'est pas la "nature" qui sélectionne tel ou tel monde, toutes les possibilités ont bien été produites, mais l'observateur, lui, ne vit que dans un monde avec une seule option. Rien ne s'est donc perdu, tout ce qui devait arriver est arrivé, reste que l'observateur que nous sommes est tributaire de sa réalité... 

1961, Julian Schwinger (1918-1994) puis Sheldon Glashow (1932), - ce dernier, vulgarisateur populaire avec "Interactions: A journey through the mind of a particle physicist", 1988 -, développent les prémisses de "la théorie électrofaible" (the theory of the electroweak interactions, développée par Abdus Salam et Steven Weinberg) qui unifient la force électromagnétique, la force portée par des photons de lumière sans masse et qui s'étend aux confins de l'univers, et  l'interaction faible, environ 10 millions de fois plus faible que la force magnétique et qui couvre à peine la taille d'un noyau atomique. 

1968, Gabriele Veneziano (1942) découvre que la fonction bêta (l'une des fonctions numériques, avec la fonction gamma, mises en oeuvre dans le cadre de certaines lois de probabilité d'un certain Leonhard Euler, génie du XVIIIe siècle), utilisée comme amplitude de dispersion, possède de nombreuses propriétés pour expliquer les propriétés physiques de l'interaction forte entre les particules ("Veneziano amplitude") - Dans les années 1960 et 1970, la liste sans cesse croissante de particules en forte interaction (les mésons et les baryons) montre qu'aucune de ces particules n'est au fond élémentaire, et Geoffrey Chew propose alors, à partir du comportement des hadrons (composé de quarks, anti-quarks et gluons régi par l'interaction forte), une modélisation de la particule via un objet mathématique, la "matrice S" (S-matrix), reflétant l'ensemble des interactions et états des particules asymptotiquement libres. Gabriele Veneziano découvre dans cette modélisation des figures qui suggèrent que les particules apparaissent par endroit s le long de lignes droites unidimensionnelles : c'est là le premier indice de ce qui va progressivement se traduire en cartes de "cordes" et de leurs comportements. La matière va s'avérer d'une très grande complexité mais permet, par exemple, de décrire le processus de collision entre deux hadrons comme la collision de deux cordes qui, en se brisant, forment d'autres hadrons. 

1969, la "théorie des cordes" (the String Theory)  - les travaux de Leonard Susskind (1940, "The cosmic landscape: string theory and the illusion of intelligent design", 2005), de Yoichiro Nambu (1921-2015), et de Holger Bech Nielsen (1941) tentent d'unifier les deux principales théories de la physique en charge d'expliquer les quatre forces fondamentales de la nature: la "théorie de la relativité générale" (qui lie gravitation/espace/temps au sein d'uneentité à quatre dimensions, l'espace-temps) et la "théorie de la mécanique quantique" (qui unit les trois autres forces, électromagnétisme, interaction nucléaire forte, interaction nucléaire faible). Pour atteindre ce but, les quatre forces doivent pouvoir être écrites de la même manière, notamment la gravité, ou espace-temps, doit être présentée sous forme d'entités discrètes et mesurables (la matière est constituée d’un nombre fini d’atomes dont les interactions se font d'une manière quantifiée et cette échelle, la matière n'est pas continue, elle se fait discrète, toute interaction et donc toute énergie échangée ne se fait pas d’une manière continue, il existe des valeurs interdites). Par rapport aux trois autres forces, la gravitation se situe à un niveau très faible et donc les vecteurs utilisés pour construire cette théorie unifiée doivent être minuscules: c'est Gabriele Veneziano qui a tenté de modéliser mathématiquement ces vecteurs et imaginer un modèle à base de cordes. Susskind, Nambu et Nielsen ont ainsi proposé que la matière présente dans l'Univers est composée non pas de particules ponctuelles, mais de "cordes d'énergie" de dimensions extrêmement petites, sorte de lacet fermé ou ouvert qui se déplace et vibre, attaché à des surfaces planes appelées "branes". Les attributs intrinsèques de la particule, masse, spin, charge électrique etc., proviennent du mouvement de la corde dans le référentiel où son centre est au repos.Cette structure, invisible à nos yeux, devrait expliquer tous les phénomènes observables. À l'intérieur de ces cordes, des ondes vibratoires donnent ainsi lieu aux comportements quantifiés observés dans la nature, si la corde vibre par exemple dans un certain mode, elle décrit un électron, si elle vibre dans un autre mode, elle décrit un quark, et ainsi de suite. La particule hypothétique qu'est le "graviton", comme le photon sans masse et sans charge, résulterait de la vibration de deux cordes formant une boucle. L'élaboration de la théorie des cordes n'a pas été simple, et de nombreux physiciens ne la partagent pas encore, et pour fonctionner les modèles ont évolué, les cordes approchées comme droite sont devenues de minuscules boucles, de nouvelles dimensions ont été ajoutées, enroulées et contractées pour certaines à l'intérieur des autres et jusqu'à six théories des cordes ont été construites (théorie des supercordes, 1980, lorsque l'on tente une approche de la gravitation quantique; théorie M d'Edward Witten, 1996; théorie des branes..).

1973, Brandon Carter (1942) propose le "principe anthropique" (Anthropic Principle) qui lie dans une même compatibilité l'observateur et l'univers observé. Un premier principe anthropique dit faible (weak) énonce que tout observateur humain et terrien doit s'attendre à découvrir que l'univers qu'il observe est compatible avec sa propre existence. Le principe anthropique dit fort (strong), auquel Carter ne semble pas adhérer, postule que l'univers doit être structuré de façon à admettre l'existence d'observateurs intelligents...