Stephen Hawking & Leonard Mlodinow

Après la réticence produite par la lecture du titre français suivie du soulagement à la découverte du titre original, The Grand Design, on découvre à la fois un ouvrage qui récapitule les meilleures vulgarisations scientifiques de ces dernières années, de Hubert Reeves à Trinh Xuan Thuan en passant par Stephen Hawking lui-même, avec un éclairage un peu plus philosophique. Le ton est sur ce point donné dès l’introduction : La philosophie est morte faute d’avoir réussi à suivre les développements de la science moderne, en particulier la physique.

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La quête du savoir n’a cessé d’animer les hommes depuis les philosophes grecs jusqu’aux chercheurs actuels qui semblent piétiner dans l’unification de la physique en une théorie Tout. Pour prétendre être satisfaisant et susciter de l’intérêt de la communauté scientifique un modèle physique doit :

• être élégant,
• ne contenir que peu d’éléments arbitraires ou ajustables,
• s’accorder avec et expliquer toutes les observations existantes,
• pouvoir prédire de façon détaillée des observations à venir qui, à leur tour, permettront d’infirmer ou de disqualifier le modèle si elle ne sont pas vérifiées.

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Richard Feynman a élaboré une théorie permettant d’interpréter de façon originale l’expérience consistant à faire passer des particules au travers d’une puis de deux fentes. Dans cette dernière expérience, la figure formée par les impacts sur le récepteur placé à l’arrière des deux fentes n’est pas la somme des figures obtenues en ouvrant l’une puis l’autre fente. Elle est constituée d’une alternance de franges d’interférences certaines, zones du récepteurs ayant reçu beaucoup de particules, d’autres aucune. Tout se passe comme si chaque particule pour aller du point A au point B utilisait simultanément tous les chemins possibles, chacun d’eux étant affecté d’un nombre appelé phase et interférant avec les autres chemins affectés de leur propres phases. La somme de tous les chemins affectés de leur phase, appelés aussi histoires, allant de A vers B est l’amplitude de probabilité qu’une particule partant de A atteigne B. Il s’agit d’un nombre complexe dont le carré du module correspond à la probabilité de trouver en B la particule partie de A. La figure d’interférences traduit la somme des histoires de Feynman c’est à dire la somme des chemins affectés de leur phase entre le point de départ et chacun des points d’arrivée situés sur le récepteur. 

Ainsi si l’on considère l’état d’un système à un instant donné, les lois de la nature déterminent non pas le futur et le passé avec certitude, mais les probabilités des futurs et passés possibles.

Si on recommence l’expérience en éclairant pour détecter par quelle fente passe chaque particule, on n’obtient plus de frange d’interférences mais la somme des figures obtenues lors de l’expérience réalisée en ouvrant l’une, puis l’autre fente. En déterminant, par l’observation, le passé des particules avant leur passage par l’une des fentes, le futur a été déterminé également alors qu’en l’absence d’observation, le passé et le futur sont indéfinis et n’existent que comme un spectres de possibilités. 

Ce principe affirme plus généralement que nos observations de l’état actuel de l’univers affectent son passé en déterminant, parmi ses différentes histoires possibles, celles qui sont en cohérence avec nos constats. 

En physique newtonienne, les incertitudes concernant un phénomène sont liées au manque de précision concernant les conditions initiales. En physique quantique, elles sont inhérentes à la nature et obligent à une approche probabiliste.

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Avec l’avancée des connaissances scientifiques, la découverte d’une théorie du Tout, unifiant l’ensemble des interactions en une loi générale, reste un but ultime des scientifiques. 

Quatre interactions fondamentales existent dans la nature : 

• la gravitation,
• l’électromagnétisme,
• l’interaction nucléaire faible (responsable de la radioactivité),
• l’interaction nucléaire forte (responsable de l’intégrité des neutrons et des protons).

A cet liste peut être rajoutée une force répulsive, anti-gravitationnelle, la constante cosmologique, à laquelle avait renoncé Einstein mais que les observations ont réhabilitée en 1998.

Les recherche d’une théorie du Tout ont permis d’unifier l’électromagnétisme et l’interaction nucléaire faible. L’interaction forte et la gravitation restent récalcitrantes.

La M-théorie, candidate au titre de théorie du Tout, est actuellement le meilleur outil de description de l’univers. Il s’agit d’un patchwork de théories couvrant chaque domaine de la physique. A la frontière entre deux de ces domaines, les deux sous-théories applicables donnent des résultats cohérents. Elle prévoit une dimension de temps et 10 dimensions d’espace parmi lesquelles 7 sont repliées à tel point que l’on ne peut les distinguer. La M-Théorie permet en outre l’existence de 10¹⁰⁰ univers différents de par leurs lois et leurs caractéristiques, telles que le nombre de dimensions visibles ou la masse des particules élémentaires. 

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Les théories déduites des observations actuelles conçoivent notre univers sans bord et en expansion, tel la surface d’un ballon qui se gonfle. La découverte d’un rayonnement fossile d’une très grande homogénéité dans tout l’univers traduit un passé très chaud et très dense suivi d’une phase inflationnaire. Les infimes irrégularités du rayonnement étaient néanmoins nécessaires pour permettre la condensation de la matière et la formation des galaxies. 

La théorie de Feynman permet d’envisager la création spontanée d’univers multiples et parallèles, le multivers, comme des bulles de gaz dans l’eau bouillante. Selon les lois fondamentales qui les régissent et leurs caractéristiques, certains peuvent former des galaxies et donner naissance à la vie, d’autres pas. En appliquant la méthode de Feynman, on constate que des histoires multiples permettent d’arriver un univers tel que le nôtre d’en conclure qu’il ne peut être considérée comme unique. 

Il existe ainsi, contrairement à ce que nous dit notre intuition, plusieurs histoires simultanées dont le nombre se réduira avec l’augmentation de la précision de nos observations. Ainsi nous créons l’histoire par nos observations plutôt que l’histoire nous crée.

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Pour voir émerger la vie, il fallait, d’une part, des conditions environnementales favorables, notamment en termes de température, nécessitant une planète ni trop éloignée ni trop proche de son étoile, décrivant une orbite présentant peu d’excentricité et, d’autre part, un univers doté de lois fondamentales permettant l’émergence de la complexité vers les molécules adéquates. De très faibles différences dans ses caractéristiques fondamentales auraient rendu notre univers irrémédiablement stérile.

Les conditions environnementales favorables au sein de notre univers peuvent s’expliquer par le fait que même si un très petit nombre de situations est propices à l’émergence de la vie, il existe un très grand nombre d’occasions dans les milliards de milliards de galaxies.

Le caractère favorable des lois de notre univers peut s’expliquer, dans l’hypothèse du multivers, en considérant le nombre d’univers, 10¹⁰⁰ d’après la M-théorie, susceptibles contenant chacun des lois différentes.

Dans les deux cas, le produit de la très faible probabilité de rencontrer des conditions favorables par le nombre énorme d’occasions conduit à une probabilité raisonnable d’existence de telles conditions.

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Face à l’argument cosmologique de l’existence de Dieu qui consiste a invoquer la nécessité d’une entité incréée et créatrice du monde, la science répond par la possibilité de phénomènes quantiques spontanés à l’origine de la création du multivers. Cette proposition est également cohérente avec le principe de conservation de l’énergie : l’énergie de notre univers est nulle. Le terme négatif apporté par l’énergie gravitationnelle compense l’énergie correspondant à la création de la matière. Un corps massif ne peut ainsi pas apparaitre spontanément car il faut fournir de l’énergie, un univers entier dont la somme des énergies est nulle le peut.