À la Recherche du Multivers : Une Expérience Quantique Révolutionnaire

De nos jours, la science-fiction et la réalité se rejoignent dans une quête captivante : la recherche du multivers. Imaginez un monde où notre univers ne serait qu’un parmi une infinité d’autres, un concept aussi fascinant que déconcertant. Alors que cette idée semble tout droit sortie de la science-fiction, elle trouve ses racines dans la physique théorique. Mais comment pouvons-nous trouver des preuves de l’existence d’autres univers ? La réponse pourrait bien se cacher dans une expérience en cours à l’Université de Cambridge, dirigée par Zoran Hadzibabic.

À la Découverte du Multivers

L’idée d’un multivers, ou de multiples univers coexistant, est l’une des plus intrigantes de la cosmologie moderne. L’idée de base est que notre univers, tel que nous le connaissons, pourrait ne pas être unique. Au lieu de cela, il pourrait exister une multitude d’autres univers, chacun avec ses propres lois physiques et ses conditions initiales. Cette notion, bien que séduisante, est principalement basée sur des théories et des calculs mathématiques, et jusqu’à présent, aucune preuve directe de l’existence d’un multivers n’a été trouvée.

Une Expérience Modeste à la Quête d’Immenses Réponses

Lorsque l’on pénètre dans le laboratoire de Zoran Hadzibabic à l’Université de Cambridge, on pourrait être surpris par son apparence modeste. Avec ses sols en linoléum, ses lumières fluorescentes et son tableau blanc couvert d’équations, l’endroit ressemble davantage à une salle de classe qu’à un laboratoire scientifique révolutionnaire. Cependant, c’est précisément ici, parmi les enchevêtrements de chambres en acier inoxydable et de fils colorés, que se déroule une expérience visant à recréer le bouillonnement quantique primordial qui aurait pu donner naissance à notre univers dans un vaste multivers.

L’équipe de recherche de Hadzibabic cherche à simuler les processus primordiaux qui ont pu créer notre univers en créant des bulles quantiques dans un gaz ultra-froid de potassium. Ils espèrent que l’étude de ces bulles pourra fournir des indices sur la manière dont les collisions passées entre notre univers et d’autres pourraient avoir laissé leur empreinte, une empreinte que nous pourrions peut-être détecter dans les données astronomiques.

Le Multivers en Questions

Pour mieux comprendre cette quête, il est essentiel de distinguer deux types de multivers : le multivers inflationniste et le multivers quantique. Le multivers inflationniste, celui qui nous intéresse ici, est une idée qui a émergé dans les années 1980. Elle est basée sur l’observation du fond cosmique micro-onde (CMB), l’empreinte du Big Bang. Cette observation a montré que le CMB était étonnamment uniforme, ce qui a conduit les physiciens à proposer l’idée que l’univers a connu une période d’expansion exponentielle au tout début, appelée inflation. Cependant, au fur et à mesure que les chercheurs ont exploré cette idée, ils ont réalisé que l’inflation ne s’est probablement pas produite qu’une seule fois et s’est arrêtée. Au lieu de cela, elle pourrait s’être arrêtée dans notre univers tout en continuant ailleurs, créant ainsi une multitude d’univers à bulles.

L’espace en expansion entre ces univers à bulles les aurait rapidement éloignés les uns des autres, les empêchant ainsi d’interagir. Cependant, si ces univers à bulles se sont formés suffisamment près les uns des autres, ils auraient pu entrer en collision avant de s’éloigner. Cela suggère que nous pourrions peut-être trouver des preuves de ces collisions, sous forme de marques ou de “cicatrices” laissées dans notre propre univers.

À la Recherche des Cicatrices de l’Univers

Mais comment peut-on chercher ces preuves ? Les cosmologistes ont exploré diverses méthodes au fil des ans, mais la plupart s’accordent pour dire que le meilleur endroit pour chercher est le CMB. En d’autres termes, ils tournent leur regard vers le ciel.

En 2011, le physicien théoricien Matt Johnson, en collaboration avec Hiranya Peiris de l’University College London et d’autres chercheurs, a montré que les collisions entre univers à bulles devraient laisser des cicatrices en forme de cercle dans le CMB. Ils ont développé un algorithme pour analyser les images précédentes du CMB à la recherche de ces empreintes. Les résultats étaient prometteurs, mais ils ne constituaient pas une preuve définitive.

Le Rôle Crucial de l’Expérience de Hadzibabic

Il y avait des incertitudes dans les tests, en particulier concernant le taux de formation de nouveaux univers à bulles et la probabilité de collisions entre eux. Pour réduire ces incertitudes et améliorer leurs prédictions, les chercheurs ont besoin d’une meilleure compréhension des détails sous-jacents du processus de création d’univers.

C’est là que l’expérience de Zoran Hadzibabic entre en jeu. Pour comprendre comment son expérience peut contribuer à résoudre ce mystère, plongeons d’abord dans le monde étrange de la théorie quantique, qui régit le comportement des particules fondamentales et joue un rôle crucial dans la formation des univers.

La Mécanique Quantique et l’Origine de l’Univers

En mécanique quantique, l’état d’énergie le plus bas possible pour l’espace-temps, la toile sur laquelle tout se déroule, y compris notre multivers potentiel, est appelé le vide. Cependant, si l’espace entre les univers est constamment en expansion, il ne peut pas être un vrai vide. Il doit y avoir une certaine énergie inhérente qui alimente cette expansion. La théorie quantique des champs, un cadre mathématique qui combine la mécanique

quantique et la relativité restreinte d’Albert Einstein, suggère qu’il existe plus d’un état de vide, mais que la plupart d’entre eux sont “faux”, c’est-à-dire qu’ils ne représentent pas l’énergie la plus basse possible.

Comme la nature cherche toujours à réduire son énergie, un faux vide n’est pas entièrement stable. Il est dit être “métastable”. Et dans le monde quantique, les choses peuvent mystérieusement “tunneler” vers un état d’énergie plus basse, comme une bille passant d’une vallée à une autre sans avoir franchi la colline entre les deux.

Les Processus Quantiques qui Pourraient Expliquer l’Origine de l’Univers

Les cosmologistes s’intéressent à ces processus quantiques, connus sous le nom de désintégration du faux vide, car ils pourraient expliquer comment l’univers a commencé, ainsi que la manière dont d’autres univers ont pu naître. Nos observations du début de l’univers, y compris son expansion rapide, sont cohérentes avec l’idée qu’il a commencé sous forme de bulle. Cela aurait impliqué que l’univers ait “tunnellé” vers un état d’énergie plus basse, un processus que les physiciens appellent une transition de phase, avant de finalement atteindre un vrai vide.

Le problème, cependant, est que nous ne pouvons pas en être sûrs. Le meilleur soutien que nous ayons pour ce scénario hypothétique provient de la résolution d’équations complexes en théorie des champs quantiques, qui nécessitent d’énormes approximations. “En utilisant nos meilleurs outils mathématiques, la bulle finit par se former instantanément – parfaitement formée – en un point de l’espace”, explique Peiris. “Nous n’avons pas la capacité de retracer comment elle passe du sommet de la montagne à la vallée.” Et tant que nous ne connaissons pas les détails de ce processus, argumente-t-elle, nous ne pouvons pas avoir une confiance totale dans nos théories.

La Découverte Cruciale en 2017

Cependant, en 2017, des physiciens de Nouvelle-Zélande et d’Australie ont publié un article révolutionnaire. Leur travail a montré que, dans les bonnes conditions, les équations décrivant la désintégration du faux vide dans l’univers primitif sont équivalentes à celles décrivant une transition de phase quantique dans une sorte de matière exotique appelée condensat de Bose-Einstein – généralement composée d’atomes à des températures extrêmement basses – dans laquelle des bulles similaires à un vrai vide se forment. En étudiant la formation et le comportement de ces bulles en laboratoire, ont-ils soutenu, nous pourrions en apprendre davantage sur la manière dont de multiples univers pourraient avoir été créés, comblant ainsi les lacunes rencontrées par Peiris lorsqu’elle envisageait des preuves potentielles d’un multivers, telles que les probabilités de collisions entre univers à bulles.

L’Expérience de Hadzibabic

Au départ, Hadzibabic était sceptique quant à la possibilité de créer un dispositif suffisamment sophistiqué pour être un analogue direct de la désintégration du faux vide cosmologique. L’échantillon devrait être uniforme pour permettre la formation de bulles n’importe où, et suffisamment froid pour présenter de véritables effets quantiques, sans être perturbé par des fluctuations thermiques. Mais après en avoir discuté avec ses collègues et avoir exploré les mathématiques impliquées, il est devenu de plus en plus optimiste quant à la possibilité que cela puisse nous apprendre quelque chose sur l’univers primitif. “C’est un peu le rasoir d’Occam [l’idée que la solution la plus simple est souvent la plus précise], dans la mesure où vous pouvez appliquer le rasoir d’Occam à l’origine de l’univers”, explique-t-il.

La première étape, qui fonctionne déjà, consiste à produire le condensat de Bose-Einstein en refroidissant les atomes de potassium à des températures plus basses que celles de n’importe quoi d’autre dans l’univers. Lorsqu’un nuage de gaz de l’ordre du micron atteint de telles températures, il se comporte comme une seule particule quantique. C’est ce qui rend les condensats de Bose-Einstein si utiles, permettant aux physiciens d’étudier les processus quantiques plus ou moins à l’œil nu.

Ensuite, Hadzibabic préparera le condensat dans un état de vide métastable et attendra qu’il passe à l’état de vrai vide par effet tunnel quantique, en observant la formation de bulles de vrai vide en expansion. Cette étape durera quelques secondes, après quoi le condensat sera détruit et tout le processus – refroidissement, désintégration, nucléation des bulles – recommencera.

Les Défis de la Vérification

La partie délicate consistera à déterminer si le résultat est effectivement un analogue de l’univers primitif, explique Johnson. “Cela dépendra de nombreuses vérifications détaillées.” En fin de compte, il faudra comparer les résultats avec des simulations mathématiques approximatives et rechercher d’éventuels problèmes. Vous pourrez ensuite affiner l’expérience pour essayer de tenir compte des problèmes et comparer à nouveau jusqu’à ce que, espérons-le, l’expérience et la simulation concordent. Si cela ne se produit pas, nous devrons peut-être réviser notre théorie sur l’univers primitif – une perspective tout aussi excitante pour les cosmologistes.

La vérification d’un analogue expérimental avec la théorie, tout en essayant également de vérifier la théorie avec l’expérience, est incroyablement difficile. “Mais c’est ainsi que fonctionne la science en général, et c’est la meilleure chose que nous puissions faire lorsque nos données d’observation sur ce qui s’est passé au début de l’univers sont si limitées”, explique Katie Mack, cosmologiste à l’Institut Périmètre, qui estime que l’expérience est importante.

Des Résultats Prometteurs

Et il y a des raisons d’être optimiste. Une équipe comprenant Gabriele

Ferrari, physicien à l’Université de Trente en Italie, a récemment mené une version simplifiée de l’expérience – en une dimension essentiellement, dans un tube extrêmement mince – et a effectivement observé des “bulles”, qui apparaissent sous forme de lignes dans ce dispositif. Les conditions ne sont pas suffisamment froides pour représenter un processus quantique purement aléatoire ; les fluctuations thermiques peuvent déclencher des événements de désintégration. Cependant, Ferrari fait valoir que ce n’est pas nécessairement un problème. “Les fluctuations thermiques ont peut-être enclenché des transitions du faux vide dans l’univers primitif”, dit-il. Les résultats de l’équipe, qui n’ont pas encore été examinés par des pairs, correspondent également aux modèles théoriques de la désintégration du faux vide en une dimension, ce qui suggère que les physiciens sont sur la bonne voie, du moins en partie. “C’est un résultat vraiment intéressant”, déclare Weinfurtner, même s’il n’est pas tout à fait ce que recherchent les cosmologistes. Par exemple, en plus d’être unidimensionnel, le gaz n’a pas une densité uniforme, ce qui fait que les bulles ont plus de chances de se former au milieu, où il y a plus de gaz. Cela rend difficile de déduire des informations sur la distribution et les interactions des bulles dans le multivers.

Des Univers en Collision

L’expérience de Hadzibabic, en revanche, sera bidimensionnelle et parfaitement uniforme, grâce à un “piège à boîte” constitué de lumière laser maintenant le condensat dans un rectangle parfait. Ce piège, essentiel pour obtenir une bonne analogie avec l’univers, a été inventé par son équipe et est maintenant utilisé par plusieurs autres chercheurs. Lors de ma visite dans le laboratoire, la plupart de l’expérience, logée dans deux boîtes de la taille d’une camionnette, était presque prête. “Nous espérons voir quelques bulles l’année prochaine”, déclare Hadzibabic.

Il sera intrigant de voir comment ces bulles interagissent. Johnson et ses collègues ont déjà montré théoriquement que les bulles ont tendance à se former en grappes, ce qui rend les collisions plus probables. “Si nous vérifions leur résultat, ce sera vraiment cool”, déclare Peiris.

Les Conséquences de la Découverte

Les résultats de l’expérience pourraient aider les physiciens à réexaminer les zones inexpliquées du CMB, telles que les quatre identifiées par Peiris et Johnson. “Cela pourrait également donner quelque chose d’autre à chercher dans le ciel”, déclare Johnson. Par exemple, bien que deux univers à bulles se heurtant tête la première ne produiraient pas d’ondes gravitationnelles, plusieurs collisions simultanées le feraient peut-être. Et nous pourrions être en mesure de les détecter avec de nouveaux observatoires d’ondes gravitationnelles.

Même si l’on découvre que notre univers n’a pas heurté un autre, l’expérience de Hadzibabic promet toujours d’être révélatrice. Il pourrait y avoir eu d’autres transitions de phase, gouvernées par les mêmes mathématiques qui créeraient un multivers, dans les premiers moments de l’univers. Ainsi, le test et l’amélioration de notre théorie générale de ces transitions, comme le prévoit l’équipe, pourraient finalement nous aider à décrypter ce qui s’est passé dans les tout premiers instants de notre univers.

Conclusion

En conclusion, l’expérience menée par Zoran Hadzibabic à l’Université de Cambridge ouvre des perspectives fascinantes pour la recherche sur le multivers. En étudiant les bulles de vrai vide créées en laboratoire, les physiciens pourraient bien être en mesure de fournir des indices précieux sur la manière dont notre univers et d’autres univers similaires ont pu naître. Cette quête pour les cicatrices de l’univers dans le CMB et au-delà nous rapproche un peu plus de la compréhension des mystères les plus profonds de l’univers.

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