Pour de nombreux cosmologistes, ce que nous pensons être l'Univers dans son intégralité ne serait qu'une infime partie d'un ensemble bien plus vaste : le multivers. Selon ce scénario, il existerait une multitude d'univers, dont l'un serait celui où nous vivons. Et chacun de ces mondes serait régi par des lois différentes ; ce que nous pensions être les principes fondamentaux de la nature ne serait plus si absolu. Ainsi, les types et propriétés des particules élémentaires et de leurs interactions pourraient varier d'un univers à l'autre.

L'idée du multivers émerge d'une théorie suggérant que le cosmos primordial a subi une expansion fulgurante, exponentielle. Au cours de cette période d'« inflation cosmique », certaines régions de l'espace auraient vu leur expansion rapide prendre fin plus tôt que d'autres, formant ce qu'on appelle des « univers-bulles », un peu comme des bulles dans un volume d'eau bouillante. Notre univers correspondrait à l'une de ces bulles, au-delà de laquelle il y en aurait une infinité d'autres.

L'idée que notre univers ne représente qu'une petite partie d'une structure beaucoup plus vaste n'est pas aussi bizarre qu'il y paraît. Après tout, à travers l'histoire, les scientifiques ont appris à maintes reprises que le monde ne se résume pas à ce qui en est visible. Cependant, la notion de multivers, avec son nombre illimité d'univers-bulles, présente un problème théorique majeur : elle semble supprimer la capacité de la théorie de l'inflation à faire des prédictions sur les propriétés de notre univers, une exigence centrale pour qu'une théorie soit utile. Pour reprendre les mots d'un des pères de la théorie de l'inflation, Alan Guth, du MIT (l'Institut de technologie du Massachusetts), « dans un univers éternellement en inflation, tout ce qui peut arriver arrive ; en fait, tout arrive un nombre infini de fois ».

Dans un univers unique où les événements se produisent un nombre limité de fois, les chercheurs peuvent calculer la probabilité relative qu'un événement se produise plutôt qu'un autre en comparant les nombres de fois que ces événements se produisent. Mais dans un multivers où tout se produit un nombre infini de fois, un tel décompte est impossible et, dès lors, rien n'a plus de chances de se produire que le reste. On peut faire les prédictions que l'on veut, elles sont amenées à se réaliser dans l'un ou l'autre univers, mais cela ne nous renseigne en rien sur ce qui va se passer dans notre propre univers.

Cette absence d'efficacité prédictive dérange depuis longtemps les physiciens. Certains chercheurs, dont je fais partie, suggèrent que la théorie quantique (qui décrit le comportement des particules aux plus petites échelles) pourrait, ironiquement, indiquer la voie de la solution. Plus précisément, le scénario cosmologique d'un univers en éternelle inflation serait mathématiquement équivalent à l'interprétation des « mondes multiples » de la physique quantique. Cette idée est très spéculative, mais, comme nous le verrons, une telle connexion entre les deux théories donne des pistes pour résoudre le problème des prédictions, mais pourrait aussi révéler des informations surprenantes sur l'espace et le temps.

L'idée d'une correspondance entre les deux théories m'est venue alors que je travaillais sur les principes de l'interprétation des mondes multiples de la physique quantique. Cette interprétation a vu le jour pour expliquer certains des aspects les plus étranges et contre-intuitifs de la physique quantique : cause et effet ne s'articulent pas comme dans le monde macroscopique qui nous est familier, et le résultat de tout processus y est toujours probabiliste. Pour l'illustrer, prenons l'exemple d'un ballon qu'on lance.

Dans notre vécu macroscopique, nous pouvons prédire où le ballon va atterrir en prenant en compte le point d'où il a été lancé, sa vitesse et d'autres paramètres. Si ce ballon était une particule quantique, tout ce que nous pourrions dire est qu'il a une certaine probabilité d'atterrir à tel endroit ou à un autre. Ce caractère probabiliste ne peut pas être éliminé par une meilleure connaissance des courants d'air ou autres facteurs liés au ballon ; c'est une propriété intrinsèque de la nature. Le même ballon quantique lancé plusieurs fois exactement dans les mêmes conditions atterrira parfois au point A et parfois au point B. Cette conclusion paraît étrange, mais d'innombrables expériences ont confirmé les lois de la physique quantique, indispensables pour décrire le comportement des particules et des forces subatomiques.

Le casse-tête de la mesure quantique

Dans le monde quantique, nous disons qu'une fois le ballon lancé, mais avant de chercher à voir son point de contact avec le sol, il est dans un état de superposition des résultats A et B, c'est-à-dire qu'il n'est ni dans l'état A ni dans l'état B, mais dans un brouillard probabiliste de A et de B à la fois. Mais une fois que nous regardons ce que devient le ballon, nous le trouvons en un point (disons A), et toute autre personne qui examine le ballon confirmera elle aussi qu'il se trouve bien en A. En d'autres termes, avant qu'un système quantique ne soit mesuré, son résultat est incertain, mais dès qu'il est mesuré, toutes les mesures ultérieures trouveront le même résultat que la première.

Dans l'interprétation habituelle, dite de Copenhague, de la physique quantique, on explique ce basculement en disant que la première mesure a fait passer le système de l'état de superposition à l'état A. Mais tout en prédisant correctement le résultat des expériences de laboratoire, l'interprétation de Copenhague mène à de sérieuses difficultés conceptuelles. Que signifie réellement la « mesure », et pourquoi fait-elle passer le système d'un état de superposition de possibilités à un état de certitude unique ? Ce changement d'état se produit-il quand un chien ou une mouche observe le système ? Et que se passe-t-il quand une molécule de l'air interagit avec le système, ce qui doit se produire tout le temps mais que nous ne traitons généralement pas comme une mesure susceptible d'interférer avec le résultat ? Est-ce que le fait qu'un être humain apprenne consciemment l'état du système revêt une importance particulière ?

En 1957, Hugh Everett, alors étudiant en thèse à l'université de Princeton, a proposé une nouvelle interprétation de la physique quantique, dite des mondes multiples. Elle traite de façon très élégante le problème, même si, à l'époque, beaucoup la tournaient en ridicule, et l'idée a toujours à l'heure actuelle nettement moins d'adeptes que l'interprétation de Copenhague. L'intuition clé d'Everett est que l'état d'un système quantique reflète l'état de l'intégralité de l'univers qui l'entoure, de telle sorte que nous devons inclure l'observateur dans une description complète de la mesure. En d'autres termes, nous ne pouvons pas considérer le ballon, la main qui le lance et le vent séparément du reste, nous devons aussi inclure dans la description fondamentale la personne qui vient inspecter le point d'impact avec le sol, ainsi que tout le reste du cosmos à cet instant.

Un univers qui se dédouble

Dans ce contexte, l'état quantique après la mesure est encore une superposition, mais pas juste la superposition de deux points d'impact : celle de deux mondes entiers ! Dans le premier monde, l'observateur trouve que le ballon est au point A, et par conséquent tout observateur situé dans ce monde-là obtiendra le résultat A lors de chaque nouvelle mesure. Mais au moment de la mesure, l'univers s'est dédoublé et dans le second univers, l'observateur trouve, mesure après mesure, que le ballon est tombé au point B. Cette propriété explique pourquoi l'observateur a l'impression que sa première mesure a modifié l'état du système ; ce qui se passe en réalité, c'est que quand il fait une mesure, il se dédouble lui-même en deux personnes différentes qui vivent dans deux univers parallèles correspondant à deux résultats distincts.

Dans l'idée d'Everett, les humains qui font les mesures n'ont pas d'importance particulière. L'état du monde entier se ramifie continuellement en de nombreux univers parallèles qui coexistent en superposition. Un observateur humain, faisant partie de la nature, ne peut échapper à ce cycle : il ne cesse de se diviser en de nombreux observateurs qui vivent dans des mondes parallèles et qui sont tous aussi « réels » les uns que les autres. Une implication évidente mais importante de ce scénario est que tout, dans la nature, obéit aux lois de la physique quantique, les petites choses comme les grandes.

Mais quel rapport y a-t-il entre cette interprétation de la physique quantique et le multivers issu de l'inflation éternelle, qui semble exister dans un espace réel continu et non comme des réalités parallèles ? En 2011, j'ai suggéré que le multivers et les mondes quantiques multiples à la Everett sont, d'une certaine façon, un seul et même concept. Dans cette approche, l'espace infiniment grand associé à l'inflation éternelle est une sorte d'illusion : les nombreux univers-bulles de l'inflation ne cohabitent pas physiquement dans un unique espace réel, mais représentent les différentes branches sur l'arbre des probabilités des mondes multiples d'Everett.

À peu près au moment où je faisais cette proposition, Raphael Bousso, de l'université de Californie à Berkeley, et Leonard Susskind, de l'université Stanford, ont avancé une idée assez similaire. Si elle est confirmée, l'interprétation des mondes multiples appliquée au multivers signifierait que les lois de la physique quantique jouent aussi un rôle crucial dans la détermination de la structure globale du multivers, même aux plus grandes échelles de distance.

Afin de mieux expliquer comment l'interprétation des mondes multiples de la physique quantique pourrait décrire le multivers inflationnaire, je dois faire une digression et parler des trous noirs. Ces astres très compacts déforment l'espace-temps environnant de façon extrême, au point que tout objet qui y tombe ne peut s'en échapper. La frontière qui définit le point de non-retour et qui sépare l'intérieur de l'extérieur du trou noir est nommée l'horizon des événements. Les trous noirs représentent un terrain de réflexion idéal pour la physique faisant intervenir des effets quantiques et gravitationnels forts. Une expérience de pensée sur ces entités nous montre où le concept traditionnel de multivers fait fausse route et rend impossibles les prédictions.

Imaginez que nous fassions tomber un livre dans un trou noir et que nous observions de l'extérieur ce qui se passe. Alors que le livre lui-même ne pourra jamais s'échapper du trou noir, la théorie quantique impose que l'information contenue dans celui-ci ne sera pas perdue. Or un trou noir s'évapore progressivement en émettant un faible rayonnement (un phénomène connu sous le nom de rayonnement de Hawking, découvert par le physicien Stephen Hawking). Il finit donc par disparaître. Que devient l'information ? Elle se cacherait dans le rayonnement de Hawking. Ainsi, un observateur extérieur devrait, en principe, être capable de reconstituer toute l'information contenue dans le livre initial en examinant attentivement le rayonnement émis.

Le paradoxe du trou noir

Il se passe quelque chose de curieux si nous imaginons la même situation du point de vue de quelqu'un qui tombe dans le trou noir en même temps que le livre. Dans ce cas, le livre semble simplement franchir la frontière du trou noir et rester à l'intérieur de ce dernier. Ainsi, pour l'observateur dans le trou noir, l'information du livre est contenue à jamais au sein du trou noir. D'un autre côté, nous venons d'expliquer que, du point de vue d'un observateur situé à l'extérieur, l'information finit par sortir de l'astre. Laquelle de ces propositions est la bonne ? On pourrait penser que l'information est simplement dupliquée : une copie à l'intérieur, une copie à l'extérieur. Mais une telle solution est exclue. En physique quantique, un théorème très fort, d'impossibilité de clonage quantique, interdit d'avoir une copie à l'identique de l'information. Par conséquent, il semble que les deux situations vues par les observateurs respectifs ne peuvent être vraies toutes deux.

Les physiciens Gerard 't Hooft, de l'université d'Utrecht, aux Pays-Bas, Leonard Susskind et leurs collaborateurs ont proposé la solution suivante : les deux visions peuvent être valables, mais pas en même temps. Si vous êtes un observateur lointain, alors l'information est à l'extérieur. Vous n'avez pas besoin de décrire l'intérieur du trou noir, parce que vous ne pouvez jamais y accéder par principe ; en fait, pour éviter le clonage de l'information, vous devez vous représenter l'espace-temps comme inexistant à l'intérieur. Par ailleurs, si vous êtes l'observateur qui tombe dans le trou noir, alors vous n'avez accès qu'à l'intérieur, et il contient le livre et son information.

Cette représentation n'est envisageable qu'en acceptant de ne pas tenir compte du rayonnement de Hawking émis par le trou noir ; mais cette liberté vous est permise parce que vous avez vous-même traversé l'horizon des événements du trou noir et que vous êtes donc piégé dedans, coupé du rayonnement émis de l'horizon vers l'extérieur. Il n'y a pas d'incohérence entre ces deux points de vue ; c'est uniquement si vous essayez de « recoller » artificiellement les deux, ce qui n'est jamais possible physiquement (car vous ne pouvez pas être à la fois l'observateur éloigné et celui qui tombe), que surgit l'incohérence apparente du clonage de l'information.

Horizons cosmologiques

Quel est le lien entre la situation du trou noir et l'univers en expansion éternelle et le multivers ? Il existe dans le cas de l'univers une frontière qui présente d'importantes similarités avec l'horizon des événements du trou noir : l'horizon cosmologique, la limite de l'univers observable (la région d'espace-temps dont nous pouvons recevoir des signaux). En effet, l'espace étant en expansion exponentielle, les régions situées au-delà de l'horizon cosmologique s'éloignent plus vite que la vitesse de la lumière. Conséquence : aucun message qui émane de ces régions ne pourra jamais parvenir jusqu'à nous. Cette situation est par conséquent apparentée à celle du trou noir vu par un observateur lointain.

Ainsi, si l'on applique au multivers le raisonnement suivi pour le trou noir, la physique quantique impose que, pour un observateur situé à l'intérieur de l'horizon cosmologique, l'espace-temps à l'extérieur de l'horizon cosmologique est simplement non existant. Si nous essayons de tenir compte de cet espace-temps au-delà de la limite, nous avons des problèmes d'information comptée en trop. Dès lors, toute description de l'état quantique de l'univers ne devrait inclure que la région en deçà de l'horizon – en particulier il ne peut pas y avoir d'espace infini dans une description cohérente et unique du cosmos.

Mais, dans ce cas, où sont le multivers et les univers-bulles s'ils ne sont pas dans un espace infini ? La réponse réside dans la façon dont les univers-bulles sont créés. Un univers-bulle se forme là où l'inflation s'arrête de façon aléatoire. Le processus est donc probabiliste, comme n'importe quel autre processus en physique quantique. De la même façon qu'une mesure quantique engendre divers résultats avec leurs probabilités de survenue, l'inflation produit de nombreux univers différents, avec chacun une certaine probabilité de voir le jour. En d'autres termes, l'état quantique représentant un espace en perpétuelle expansion est une superposition de mondes correspondant à des univers différents. On commence à entrevoir le rapprochement avec l'interprétation des mondes multiples de la physique quantique.

Mais peut-on calculer des probabilités dans ce scénario ? Rappelons qu'une des critiques principales vis-à-vis de l'inflation éternelle est que chaque événement se produit une infinité de fois et que cette description n'a aucune efficacité prédictive. Avec notre nouvelle façon d'interpréter le multivers, le problème de la prédictivité trouve une solution. Les univers-bulles ont une taille finie, limités par l'horizon cosmologique. Ils évitent l'écueil de l'espace infini qui contient l'infinité de toutes les réalisations possibles. En outre, ils n'existent pas tous simultanément dans l'espace réel, ils ne font que cohabiter dans « l'espace des probabilités », c'est-à-dire en tant que résultats possibles d'observations faites par des personnes vivant à l'intérieur d'un des mondes. Ainsi, chaque univers conserve une probabilité spécifique d'advenir.

Cette représentation unifierait le multivers issu de l'inflation éternelle de la cosmologie et les mondes multiples d'Everett. L'histoire cosmique se déroule alors comme suit : le multivers démarre d'un certain état initial et évolue en une superposition de nombreux univers-bulles. À mesure que le temps passe, les états représentant chacune de ces bulles se ramifient en un nombre croissant de superpositions d'états représentant les divers résultats possibles d'observations effectuées au sein de ces univers. Finalement, l'état représentant le multivers entier comportera donc un nombre énorme de branches, correspondant chacune à un monde possible pouvant découler de l'état initial. Les probabilités quantiques déterminent donc des résultats en cosmologie aussi bien que dans les processus microscopiques. Le multivers et les mondes multiples quantiques sont en réalité une seule et même chose ; ils correspondent simplement au même phénomène (la superposition d'états) qui se produit à des échelles complètement différentes.

Dans ce nouveau cadre, notre monde n'est qu'un seul parmi tous les mondes qu'autorisent les principes fondamentaux de la physique quantique et qui existent simultanément dans l'espace des probabilités.

Afin de savoir si cette idée est correcte, nous aimerions la tester expérimentalement. Mais est-ce réalisable ? Peut-être en mesurant la courbure spatiale de notre univers. En 2005, Leonard Susskind et ses collègues ont montré que le multivers engendre une petite quantité de courbure négative dans notre univers. En d'autres termes, à grande échelle, la géométrie serait comparable en trois dimensions à la surface d'une selle de cheval. Il pourrait en effet exister une telle courbure parce que, même si les univers-bulles sont finis vus dans la perspective du multivers entier, les observateurs à l'intérieur d'une bulle, qui voient leur univers comme étant infiniment grand, le percevraient doté d'une courbure négative.

Un test : la courbure de l'Univers

Les indications dont nous disposons à l'heure actuelle suggèrent un cosmos plat. Mais, dans les prochaines décennies, de futures observations du fond diffus cosmologique, le rayonnement émis par l'Univers vers 380 000 ans d'âge, permettront de mesurer avec une précision accrue la courbure.

Si ces expériences détectent une courbure légèrement négative, elles étaieront le concept de multivers parce que, bien qu'une telle courbure soit techniquement possible dans un univers unique, elle y est peu plausible. Et une éventuelle découverte de courbure négative renforcerait particulièrement l'idée de multivers quantique décrite ici, parce que ce scénario conduit naturellement à une courbure assez grande pour être détectée, alors que le tableau inflationnaire classique du multivers tend à produire une courbure négative inférieure de plusieurs ordres de grandeur à tout ce que nous pouvons espérer mesurer. Chose intéressante, la découverte d'une courbure positive réfuterait complètement la notion de multivers, parce que la théorie de l'inflation implique que les univers-bulles ne peuvent produire une telle courbure.

Par ailleurs, si nous avons de la chance, nous pourrions même voir dans le fond diffus cosmologique des signes spectaculaires du multivers, sous la forme de vestiges d'une « collision » de notre univers-bulle avec un autre. Mais les chercheurs sont peu optimistes que nous détecterons un jour de tels signaux.

Avec d'autres physiciens, je travaille aussi à développer l'idée de multivers quantique au niveau théorique. Nous pouvons poser des questions fondamentales telles que « Comment peut-on déterminer l'état quantique du multivers entier ? » ou « Qu'est-ce que le temps, et comment émerge-t-il ? ». Le tableau du multivers quantique ne répond pas immédiatement à ces questions, mais il fournit un cadre pour les traiter.

Récemment, par exemple, j'ai montré que certaines contraintes mathématiques sur les probabilités issues de notre théorie nous permettront peut-être de déterminer l'état quantique unique du multivers entier. Ces contraintes suggèrent aussi que l'état quantique global reste constant même si un observateur physique, qui fait partie de l'état du multivers, voit de nouvelles bulles se former sans cesse. Cela implique que notre conscience d'un univers qui change au fil du temps, et en fait la notion même de temps, pourrait être une illusion. Le temps, dans cette optique, est un concept émergent, quelque chose qui surgit d'une réalité plus fondamentale et qui semble n'exister que dans les branches locales du multivers.

Beaucoup des idées que je viens de présenter sont encore très spéculatives, mais il est passionnant que les physiciens soient en mesure de réfléchir à ces grandes et profondes questions sur la base des avancées théoriques actuelles. Où ces explorations nous mèneront-elles ? Il semble clair en tout cas que nous vivons une ère exaltante dans laquelle nos explorations scientifiques vont au-delà de ce que nous pensions être le monde physique entier – notre univers – pour atteindre un domaine potentiellement sans limites au-delà.