La renaissance du temps article 11 (chapitre 18: infinité de l'espace ou infinité du temps?)

J'écris mon blog pour partager ma soif de connaissances, mes réflexions et mes passions et mes lectures. Dans ces articles, je voudrais partager "ma lecture" du livre de Carlo Rovelli "par-delà le visible". Ecrire ce que je retiens de mes lectures me permet de réfléchir à la compréhension que j'en ai. je mets entre guillemets les passages qui me semblent importants ou qui me frappent. Et par dessus tout je fais des recherches sur internet pour compléter ma lecture avec le maximum de liens que souhaite responsables, qui permettent aux lecteurs d'approfondir la connaissance du sujet.   

(La renaissance du temps le livre numérique: https://books.google.fr/books?id=O3z1nXjcDu4C&printsec=frontcover&hl=fr#v=onepage&q&f=false)

Lee Smolin et la physique contemporaine par matierevolution.fr

http://www.drgoulu.com/2015/01/28/la-renaissance-du-temps/#.WEuqNNThA_7 (la renaissance du temps 1/2)

http://www.drgoulu.com/2015/12/31/la-renaissance-du-temps-22/ (la renaissance du temps 2/2)

http://medias.dunod.com/document/9782100706679/Feuilletage.pdf (la renaissance du temps Dunod: quelques pages à feuilleter)

https://monblogdereflexions.blogspot.com/2018/12/la-gravitation-quantique-La gravitation quantique à boucles avec Carlo Rovelli: Pour s'initier avec quelques sites

http://www.agoravox.fr/actualites/technologies/article/la-mecanique-quantique-est-en-171058 (la mécanique quantique est en crise par Bernard Dugué)

2) La renaissance du temps, mes précédents articles - résumé. 

Nous avons vu dans -à propos d'Aurélien Barrau chap.9 (mon article 2)- que de nombreuses théories nouvelles ou hypothèses proposent l'unification de la physique ou tout au moins des explications aux dilemmes et paradoxes que la cosmologie moderne a mis en évidence. 

Puis, dans mes articles sur "la renaissance du temps" (voir l'article 1 chapitre 8), nous avons vu que Lee Smolin prévient: Le paradigme newtonien ne peut même pas apporter un embryon de réponse à ces questions et dilemmes: Pourquoi ces lois? Pourquoi ces conditions initiales de l'univers? Quel mécanisme les a t-il sélectionnées parmi une multitude infinie de possibilités? etc. Il appelle "erreur cosmologique" (voir mon article 1 chapitre 2), le fait d'appliquer à l’Univers entier dans sa globalité des lois établies et vérifiées sur des sous-systèmes. Dans le paradigme newtonien, ce que nous appelons une loi doit s'appliquer dans tous les cas. Mais l'application d'une loi à n'importe quel morceau d'univers implique une approximation, parce que nous devons négliger toutes les interactions entre ce morceau et le reste de l'univers. Donc les applications vérifiables d'une loi sont toutes des approximations. Lee Smolin fait remarquer en particulier que les lois se vérifient sur beaucoup de sous-systèmes. Mais si on veut appliquer une loi de la nature sans approximation, c'est à l'univers entier qu'il faudrait l'appliquer, alors que nous n’avons qu’un seul Univers sous la main. Et un seul cas n'apporte pas suffisamment d'indices pour justifier l'affirmation qu'une loi particulière de la nature s'applique. C'est ce que Lee Smolin appelle le dilemme cosmologique (faire de la physique dans une boite: on considère un petit sous-système isolé du reste de l’univers dans lequel on néglige certains effets pour ne s’intéresser qu’à certaines variables qui définissent un espace de configuration, atemporel. . Et pourquoi cette loi et pas une autre? De plus, beaucoup de théories cosmologiques (théorie des cordes, équation d’Einstein …) admettent en réalité une infinité de solutions, parmi lesquelles une seule correspond à notre univers. Doit-on se résoudre à admettre l’existence d’une infinité d’Univers inaccessibles pour pouvoir justifier le notre par un principe anthropique? 

Nous pensions, dit Lee Smolin, savoir comment répondre à ces questions. Une théorie unique mathématiquement cohérente pourrait incorporer les 4 lois fondamentales de la nature. Mais cet espoir a été anéanti. On se trouve face à ce qu'il appelle "le défi cosmologique". On vient de voir qu'il faudrait étendre la science à une théorie de l'Univers entier. Le défi est qu'il ne peut pas exister de composante statique qui puisse servir de cadre de référence, car tout dans l'Univers change et il n'existe aucun extérieur., rien qui puisse être qualifié de fond par rapport auquel les mouvements du reste de l'Univers (que nous négligeons). Or, toutes les théories physiques divisent le monde en deux parties, une partie « dynamique », qui change, et une statique, qui contient un « fond » de choses immuables, comme les constantes fondamentales. Le « défi cosmologique » consiste à formuler une théorie de l’univers « indépendante du fond », purement dynamique afin de ne rien supposer d’extérieur à l’Univers: "Lorsqu’on fait de la « physique dans une boite », le « fond » comprend notamment les conditions initiales, et la méthode expérimentale permet de contrôler les conditions initiales afin de s’assurer que les lois sont indépendantes de ces conditions. En cosmologie, cette distinction entre « lois » et «conditions initiales » aggrave le problème qu’elle résout « dans une boite » : si nos observations du fond diffus cosmologique ne correspondent pas bien à la théorie de l’inflation cosmologique, faut-il corriger la loi ou les conditions initiales? Smolin critique aussi les théories effectives qui décrivent bien ce qui se passe à une certaine échelle de grandeur, mais en négligeant l’influence de ce qui est beaucoup plus grand ou plus petit." Pour Smolin, la théorie issue du défi cosmologique doit tenir compte de tout, sans rien négliger."

J'ai poursuivi "ma lecture" avec l'article 2 (le défi cosmologique chapitre 9), l'article 3 (Nouveaux principes de cosmologie chapitre 10), l'article 4 (les lois évolutives chapitre 11), l'article 5 (la mécanique quantique et le libération de l'atome chapitre 12), l'article 6 (le combat de la relativité et du quantum chapitre 13). Puis j'ai fait une pause pour approfondir l'interprétation non dominante de la mécanique quantique de Bohm dans La physique quantique version variables cachées et le dialogue Bohm et Krishnamurti. 

-L'article 7 (La renaissance du temps par la relativité chapitre 14) conclut par: "La notion globale de temps que nous venons de voir implique qu'en chaque événement il existe un observateur privilégié dont l'horloge mesure la passage du temps. Mais il n'y a aucun moyen de le choisir par une mesure qu'on pourrait faire dans une petite région, ce qui confirme le principe de relativité à des échelles plus petites que celle l'univers. Ce choix d'un temps global particulier est déterminé par la façon dont est distribuée la matière dans l'univers. La dynamique des formes constitue donc "un pont" entre le principe de relativité et le temps global qu'exigent les théories telles que celle à laquelle aspire Lee Smolin avec des lois évolutives ou celles qui expliquent les phénomènes individuels au moyen de variables cachées. Il y a une grandeur par contre qui n'a pas le droit de changer lorsqu'on agrandit ou qu'on rapetisse les échelles, c'est le volume de l'univers à chaque instant, même s'in évolue au cours du temps. Ceci donne donc un sens à la taille totale de l'univers et à son expansion et nous fournit une horloge physique universelle. LE TEMPS VIENT D'ÊTRE REDECOUVERT".

-Dans l'article 8 (l'émergence de l'espace chapitre 15), nous avons abandonné provisoirement le temps pour examiner l'espace. Le Dr Goulu nous le présente ainsi: "Ce long chapitre est le plat de résistance du livre. C’est là que ça passe où ça casse, et j’ai mis plus de deux semaines à le digérer avec peine. Il commence très fort: L’aspect le plus mystérieux du monde est juste sous nos yeux. Rien n’est plus banal que l’espace, et pourtant lorsque nous l’examinons de près, rien n’est plus mystérieux. Je crois que le temps est réel et essentiel à une description fondamentale de la nature. Mais je crois probable que l’espace va s’avérer n’être qu’une illusion. [...] Selon Smolin, l’existence d’un temps réel est indispensable pour réconcilier les deux pans de la physique, mais l’espace ne l’est pas. Parmi les théories ayant exploré l’idée que l’espace émerge d’une structure de graphe plus fondamentale, la première est la “triangulation dynamique causale” [...].

-L'article 9 a débuté avec une synthèse (chapitre 3) effectuée par le DrGoulu du chapitre 16 (vie et mort de l'univers) du livre de Lee Smolin: "La vision intemporelle de la physique basée sur le paradigme de Newton a montré son impuissance face aux questions les plus basiques de l’univers : pourquoi est-il intéressant (…) au point que des créatures comme nous puissions y être et nous en émerveiller ? Mais si nous adoptons la réalité du temps, nous rendons possible une physique asymétrique par rapport au temps dans laquelle l’univers peut naturellement faire évoluer de la complexité et de la structure. Et ainsi nous évitons le paradoxe d’un univers improbable". 

Après avoir étudié au chapitre 3-2 (de cet article) La physique moderne et la thermodynamique, s'est posée (au chapitres 3-3) la question: "notre univers est-il en équilibre"? La réponse étant négative nous avons examiné au chapitre 3-4 la question de la flèche du temps et le problème qu'elle pose (son illusion?). Puis nous avons effectué au chapitre 3-5) un retour à la question qui a été à l'origine de la réflexion de Lee Smolin: le temps est-il fondamental? Est-il asymétrique? En effet, si nous avons besoin de conditions initiales asymétriques pour expliquer notre univers alors que les lois de la nature sont temporellement symétriques, cela n'affaiblit-il pas l'argument en faveur d'un temps irréel, qui n'existe pas, comme le présente la cosmologie moderne (Carlo Rovelli dit: "il faut oublier le temps")? Au chapitre 5 nous avons réexaminé une réflexion qui est présente dans notre questionnement depuis le début du livre de Lee Smolin (et donc dans mes articles): Pouvons-nous dire de notre univers qu'il est improbable (en raison de l’ajustement fin qui réfère à l’étonnante précision des constantes physiques de la nature et de l’état premier de l’Univers)? En effet, pour expliquer l’état présent de l’univers, même la meilleure théorie scientifique suppose que les constantes physiques de la nature et l’état premier de l’Univers aient des valeurs extrêmement précises. Pour Lee Smolin, la seule façon d'échapper à l'erreur cosmologique et au paradoxe d'un univers improbable est de baser l'explication de la complexité et du fait que l'univers a un richesse intéressante sur une physique qui soit temporellement asymétrique, qui rend de fait l'univers inévitable plutôt qu'improbable et d'adopter la réalité du temps. 

-Dans l'article 10 "La renaissance du temps par la chaleur et la lumière" (chapitre 17)" Lee Smolin conclut ce chapitre par: Cela ne contredit pas la deuxième loi de la thermodynamique, mais seulement son interprétation naïve. 

*La loi disant que l'entropie devrait normalement augmenter traduit juste le fait que plus il y a de façons de que quelque chose se produise, plus cette chose sera probable. Les systèmes thermodynamiques normaux finissent dans l'état unique et ennuyeux de l'équilibre uniforme; les systèmes gravitationnels finissent dans un état parmi de nombreux états possibles hautement hétérogènes.

*Ainsi, le fait que notre univers soit intéressant a une explication triple. 

-Le principe d'auto-organisation pilotée agit sur une myriade de sous-systèmes et d'échelles, du moléculaire au galactique évoluant vers des états de complexité toujours croissante. 

-Les moteurs qui pilotent ce processus sont les étoiles, qui existent en raison d'une combinaison d'un réglage fin des lois fondamentales et de la nature anti-thermodynamique de la gravitation (comme on l'a vu dans cet article). 

-Mais ces forces peuvent produire un univers rempli d'étoiles et galaxies seulement si les conditions initiales de l'univers sont fortement asymétriques par rapport au temps.

*Tout ceci peut être mis en contexte et dans une certaine mesure compris à l'intérieur du paradigme newtonien. Même si nous continuons à penser dans ce paradigme, l'organisation du monde semble reposer sur de colossales improbabilités (la particularité extrême du choix des conditions initiales). La triste conclusion est que la seule sorte d'univers qui paraisse naturel de la perspective intemporel du paradigme newtonien est un univers mort en équilibre qui n'est évidemment pas celui dans lequel nous vivons. Mais depuis la perspective de la réalité du temps, il est parfaitement naturel que l'univers et ses lois fondamentales soient asymétriques dans le temps, avec une flèche du temps importante qui englobe l'accroissement de l'entropie pour les systèmes isolés ainsi que la croissance continuelle de structure et de complexité". 

Après ces rappels, examinons maintenant le chapitre 18 du livre! 

3) Infinité de l'espace ou infinité du temps (chapitre 18)?

     3-1) La vision du modèle boltzmannien infini spatialement semble aberrante selon Lee Smolin.

Imaginons un univers infini spatialement, avec les mêmes lois valides partout, mais avec des conditions initiales choisies au hasard, c'est à dire l'image de l'univers boltzmannien ultime (voir mon article 10 chapitre 3-2). "Presque tout" dans cet univers infini est à l'équilibre thermodynamique et toute chose intéressante y survenant y est la conséquence d'une fluctuation, et ce qui peut se produire dans une fluctuation se produira quelque part, car s'il y a une quantité infinie de "quelque parts" disponible, chaque fluctuation, quelque soit son degré d'improbabilité, se réalisera un nombre infini de fois! Notre univers observable pourrait ainsi n'être qu'une grosse fluctuation statistique de 93 milliards de milliards de d'années-lumière de diamètre dans un univers infini, qui se répétera un nombre infini de fois à travers l'infinité de l'espace. En conséquence, si l'univers est infini et boltzmannien nous existons et agissons un nombre infini de fois, exactement comme nous sommes ici et là. Cela semble contredire le principe de Leibniz que nous avons vu dans l'article 10 au chapitre 3: le principe de l'identité des indiscernables de Leibniz, qui a été décrit aussi dans l'article 3. Ce principe a été vu comme une conséquence du principe de raison suffisante de Leibniz et comme l'essence de la philosophie du "relationalisme". Il affirme qu'il ne peut y avoir 2 objets dans l'univers qui soient distincts s'ils sont indiscernables. En particulier si des objets se distinguent l'un de l'autre seulement par leurs propriétés observables, il ne peut y avoir deux objets discernables ayant exactement les mêmes propriétés. Mais ce n'est pas tout. Tous ce qu'on observe aujourd'hui aurait pu être différent... par exemple, je pourrais ne pas être né et tout ce que nous voyons autour de nous et dans l'univers aurait pu ne pas être  ou être différent, nous amenant à une configuration de l'univers différente. Chacune de ces configurations du présent est une façon possible d'être organisés pour les atomes de notre voisinage, et donc chacune se produit une infinité de fois dans l'infinité de l'espace (pour ce modèle boltzmannien). Pour Lee Smolin, C'est un effroyable scénario qui soulève des questions éthiques du genre: pourquoi devrais-je me préoccuper des conséquences des choix que je fais, si tous les autres choix possibles sont faits par d'autres versions de "moi" dans d'autres régions de l'univers, qui est infini? Et si je prends soin de mes enfants dans ce monde, ne devrais-je pas m'inquiéter du sort des enfants des autres mondes qui souffrent suite aux décisions mauvaises prises par mes autres "moi"? En plus de ces questions étiques, on peut se demander ce que devient la science.Si le fait réel du monde est que tout ce qui est susceptible de se produire se produit, alors, le champ d'explication se réduit vraiment. En effet, le principe de raison suffisante exige que qu'il y ait une raison rationnelle derrière chaque cas où l'univers est d'une façon, mais aurait pu être d'une autre (dans sa formulation originelle, par Leibniz, il affirme que « jamais rien n'arrive sans qu'il y ait une cause ou du moins une raison déterminante, c'est-à-dire qui puisse servir à rendre raison a priori pourquoi cela est existant plutôt que non existant et pourquoi cela est ainsi plutôt que de toute autre façon » (Théodicée, I, 44)). 

Mais, si l'univers est de toutes les façons possibles (univers boltzmannien), il n'y a plus rien à expliquer. La science peut donner un aperçu des conditions locales mais que signifient des explications? En effet, tout ce qui pourrait se produire est en train de se produire un nombre infini de fois, maintenant! Cette forme de reductio ad absurdum ( "argument à l'absurdité") du paradigme newtonien étendu à la cosmologie, est selon Lee Smolin, un autre exemple de l'erreur cosmologique, qu'il appelle la tragédie de l'infini boltzmannien. C'est une tragédie, car cela réduit considérablement le pouvoir prédictif de la physique, en particulier sur la signification des probabilités quantiques. En effet, prenons une expérience dont les probabilités de réalisation sont de 99% pour obtenir le résultat A et de 1 %.pour le résultat B.Supposons que je répète l'expérience 1000 fois. On pourrait attendre que pour environ 990 fois, le résultat soit A. Je serais confiant en pariant sur A, car je pourrais raisonnablement attendre environ 99 résultats A pour chaque résultat B et ainsi, on aurait une bonne chance de confirmer la prédiction de la mécanique quantique. Mais dans un monde infini, il existe une infinité de copies de "moi" en train d'observer le résultat B. Donc, la prédiction de la mécanique quantique d'observer que le résultat A est 99 fois plus fréquent que l'autre est invérifiable dans un univers infini. C'est le problème de la mesure en cosmologie quantique, qui apparaît dans toute son ampleur, si l'univers est infini. Je partage l'avis de Lee Smolin qui pense que ce problème n'est pas soluble et qui préfère considérer la mécanique quantique comme "la preuve que nous vivons dans un univers ne contenant qu'une seule copie de moi". Nous ne pouvons certes pas voir au-delà d'une certaine distance (horizon de notre univers visible et observable), mais il semble plausible et raisonnable à Lee Smolin de faire l'hypothèse que notre univers est fini dans son extension spatiale, mais sans limite, un univers courbe fermé, comme le propose Einstein, ou l'univers fini de Friedmann. Il aurait donc une topologie globale de surface fermée, comme une sphère ou un beignet en forme de tore. Il y a trois cas pour un univers fini sans limite. Si la courbure est positive, il n'y a qu'une possibilité, l'analogue tridimensionnel de la topologie bidimensionnelle d'une sphère. Si la courbure moyenne de l'espace est plate, comme un plan, la seule possibilité pour un univers fini est l'analogue tridimensionnel de la topologie bidimensionnelle d'un beignet. Si la courbure est négative, comme celle d'une selle, alors il existe un nombre infini de possibilités pour sa topologie. Elles sont très complexes et compilées dans un catalogue. L'hypothèse d'Einstein pourrait être confirmée, si l'univers est fermé et assez petit. La lumière pourrait alors en faire le tour complet et nous devrions voir des galaxies lointaines en plusieurs images. Ceci a été recherché comme dans l'univers chiffoné de Jean-Pierre Luminet, mais n'a pas été détecté pour l'instant. 

Si l'univers n'est pas spatialement fermé, alors il doit être infini et en expansion spatiale. Cela veut dire que l'espace y est délimité par une frontière, frontière qui est indéfiniment loin de nous, mais que l'information pourrait traverser. Lorsqu'on énonce les équations de la relativité générale, on doit spécifier l'informations sur ce qui se passe à la frontière et ce qui traverse cette frontière, pour y entrer comme pour en sortir. Le besoin de spécifier l'information sur ce qui se passe à la frontière infinie (dans le cas d'un univers non fermé), n'est pas optionnel; il est requis par la théorie [les équations d'Einstein pour un univers spatialement infini ne peuvent être dérivées d'un principe variationnel (ou: exprimé en  physique quantique), que s'il existe des termes aux limites ajoutés à l'action et des conditions aux limites spécifiées à l'infinité spatiale. Donc, on ne peut pas décrire ce qui se trouve dans l'univers sans dire ce qui pénètre dans cet univers et ce qui en sort depuis la frontière, même si la frontière est infiniment éloignée. Si la frontière était à une distance finie, on pourrait imaginer qu'il y ait encore plus d'espace à l'extérieur. L'information sur la frontière serait explicable en termes de ce qui est en provenance de "ce" qui est au-delà de la frontière (voir note 3 page 322 du livre)  Dans la pratique de la relativité générale, on utilise souvent des espaces avec des frontières infinies pour modéliser de façon commode des systèmes isolés, comme une galaxie. Mais il y a des difficultés techniques lorsque l'on gère l'information à spécifier à une frontière qui, pour idéaliser la situation et par commodité technique a été repoussée à l'infini. Cela simplifie la description parce qu'on peut imposer la conditions que toute la matière dans le modèle est contenue dans la galaxie. Rien n'entre ni ne sort sauf les ondes gravitationnelles et les ondes que nous utilisons pour observer la galaxie. Pour Lee Smolin, cette idéalisation dans laquelle nous découpons une partie de l'univers et nous la décrivons comme s'il n'y avait que cela avec une frontière externe nécessitant de spécifier l'information qui arrive de l'extérieur d'un univers infini est une aberration. Pourtant, c'est ce qu'on est obligé de faire si on utilise la relativité générale comme notre théorie cosmologique et considérons l'univers comme spatialement infini. Mais la frontière à l'infini ne nous permet d'imaginer un monde au-delà. Nous devons certes spécifier l'information qui entre et qui sort, mais le choix est entièrement arbitraire. Ainsi, on doit concéder que rien ne peut être expliqué dans aucun modèle d'univers ayant une frontière infinie. Le principe de fermeture explicative (voir mon article 3 au chapitre 2) est transgressé et avec lui le principe de raison suffisante. Lee Smollin me rassure plutôt dans mes convictions lorsqu'il affirme qu'il ne voit aucune raison d'échapper à la conclusion que l'univers est spatialement fermé, sans frontière. La vision du modèle boltzmannien semble donc aberrante. Rien n'est infiniment éloigné et il n'y a pas d'espaces infinis à affronter.  

     3-2) L'infinité du temps?

Mais qu'en est-il du futur? Si comme Lee  Smolin le suggère, l'univers est plus leibnizien que boltzmannien (voir mon article 10 chapitre 3 univers leibnizien/vs boltzmannien:  Les univers hypothétiques dans lesquels chaque instant et chaque événement sont absolument uniques et qui satisfont le principe d'identité des indiscernables sont appelés par Lee Smolin univers Leibniziens), cela pourrait-il être temporaire et l'univers pourrait-il mourir? Mais en se restreignant, aux univers spatialement finis, cela épargne nombre de paradoxes d'un univers boltzmannien infini, mais pas tous. Un univers spatialement fermé et fini peut durer un temps infini et s'il ne se contracte jamais, il sera en expansion pour toujours. Il dispose alors d'un temps infini pour atteindre l'équilibre thermique et s'il le fait, il restera une quantité de temps infinie avec un espace en augmentation continue, rendant possible des fluctuations pouvant créer des structures improbables, et ceci pouvant se produire un nombre infini de fois. Cela conduit de nouveau au paradoxe du cerveau de Boltzmann.que nous avons décrit dans l'article 10, chapitre 3-1. Mais les principes de raison suffisante et de l'identité des indiscernables peuvent permettre à l'univers d'éviter de finir dans un état aussi paradoxal en limitant les options pour son destin possible. Cependant, pour raisonner sur un futur lointain, on doit faire un certain nombre de suppositions. En particulier, les lois de la nature ne doivent jamais changer, sans quoi faire des prédictions serait problématique et il ne doit exister aucun phénomène non découvert qui puisse changer le cours de l'histoire de l'univers, comme par exemple une force si faible non encore détectée qui agisse sur des distances et des durées bien plus longues que l'âge actuel de l'univers. C'est possible et cela a été envisagé, tout comme l'existence de bulles cosmiques fonçant sur nous à la vitesse de la lumière pour l'instant cachées par notre horizon, mais cela interdit toute prédiction à partir du savoir actuel. Faisons donc avec Lee Smolin l'hypothèse que les lois et et les phénomènes bien établis sont tout ce qui est, alors, on peut en déduire en toute confiance les deux points suivants.:

-Viendra un moment où les galaxies cesseront de fabriquer des étoiles grâce à leur réserves d'hydrogène et mourront. Mais ce n'est qu'une limite supérieure et plus probablement les processus hors équilibre qui pilotent la formation d'étoiles se seront essoufflés bien avant que la totalité de l'hydrogène ait pu être transformée en étoiles. 

-Les dernières étoiles s'éteindront. En effet, elles ont une durée de vie limitée, de quelques millions d'années pour les plus massives, qui meurent de façon dramatique sous forme de supernovas, à de nombreux milliards d'années pour la plupart d'entre elles, qui finissent abruptement sous forme de naines blanches. Dans un avenir lointain; il existera une époque où la dernière étoile aura cessé de briller. 

-Et après? Lee Smolin présente un des scénario du lointain futur, qui aboutit... à un univers de Bolrzmann: On sait que l'univers est rempli de matière, de matière noire, de rayonnement et d'énergie noire [Voir wikipedia: l'énergie noire est une forme d'énergie hypothétique emplissant uniformément tout l'Univers et dotée d'une pression négative, qui la fait se comporter comme  une force gravitationnelle répulsive. L'existence de l'énergie noire est nécessaire pour expliquer diverses observations astrophysiques, notamment l'accélération de l'expansion de l'Univers détectée au tournant du xxi^e siècle. Malgré une densité très faiblea (de l'ordre de 10⁻²⁹ g/cm³)b, l'énergie noire est une composante majeure de l'Univers, représentant environ 68 % de la densité d'énergie totale de l'Univers. Sa nature reste aujourd'hui encore inconnue. Il peut s'agir simplement de la constante cosmologique induite par la relativité générale qui aurait une valeur non nulle. Il existe d'autres hypothèses, menant soit à une modélisation différente de la matière (quintessence, k-essence, modèles unifiés de matière et d'énergie noire), soit à une modélisation différente de la gravitation (gravité f(R), champs scalaires, cosmologie branaire). Le choix entre ces différentes hypothèses dépend essentiellement des contraintes apportées par l'observation, notamment des supernovas de type Ia, du fond diffus cosmologique ou des oscillations acoustiques des baryons]. Bien que la densité de l'énergie noire semble à peu près constante; les scientifiques ne savent pas si c'est réellement le cas ou si c'est parce qu'elle change plus lentement que ce que les observations ont détecté jusqu'ici. C'est crucial pour le futur de l'univers qui sera très différent selon qu'elle reste constante ou non. Un scénario simple est celui dans lequel l'énergie noire conserve une densité constante alors que l'univers grossit. C'est le cas de la constante cosmologique d'Einstein, qui ne diminue pas lorsque l'univers poursuit sa dilatation. La matière et le rayonnement sont dilués et la densité d'énergie totale décroît de façon continue et après quelques dizaines de milliards d'année tout deviendra négligeable sauf la densité d'énergie associée à la constante cosmologique. Une des conséquences de cette expansion exponentielle est que les amas de galaxies se séparent si rapidement qu'ils ne peuvent plus se voir mutuellement (les photons quittant un amas ne vont pas assez vite pour rattraper les autre amas). Dans chaque amas, les observateurs sont entourés d'un horizon derrière lequel leurs voisins ont disparu; et les amas deviennent des systèmes isolés, des sortes de boites délimitant ces sous-systèmes du reste de l'univers. Les méthodes de la physique dans une boite (voir mes article 1 et 2) s'appliquent donc à chaque amas et en particulier on peut y appliquer les méthodes de la thermodynamique. C'est alors qu'un nouvel effet quantique oblige l'intérieur de chaque horizon à se remplir d'un gaz de photons en équilibre thermique, créé par des processus analogues à ceux qui créent le rayonnement des trous noirs de Hawking. On l'appelle le rayonnement d'horizon. Sa température et sa densité sont extrêmement basses mais restent constantes alors que l'univers grossit de plus en plus alors que tout, y compris la matière et le CMB devient de plus en plus dilué. Au bout d'un temps suffisant, l'univers arrivé à l'équilibre, qui perdurera pour toujours et ce qui le remplit est le rayonnement d'horizon. Il y aura des fluctuations et des récurrences et une des configurations dont celle du paradoxe du cerveau de Boltzmann se reproduira occasionnellement exactement, comme cela a été décrit dans l'article 9, un résultat du raisonnement par l'absurde ultime du paradigme newtonien. Selon ce scénario décrit par Lee Smolin, la complexité apparente de notre univers jusqu'à aujourd'hui correspond juste au flash le plus court avant que l'univers ne se stabilise dans un équilibre éternel. Or comme nous l'avons aussi vu dans l'article 9, selon Lee Smolin, nous sommes quasiment certains que nous ne sommes pas des cerveaux de Boltzmann, et si nous l'étions, nous ne verrions probablement pas univers gigantesque autour de nous. Cela signifie que ce scénario est faux, ce qu'imposent aussi le principe de raison suffisante et celui de l'identité des indiscernables. 

- Mais une question se pose: comment pouvons éviter un univers éternellement mort si on arrivait à ce stade d'équilibre? Pour cela il faudrait qu'il ait assez de densité de matière pour attirer la matière et pour stopper son expansion. Dans ce cas; l'univers pourra s'effondrer dans une singularité finale, dans un big crunch. Mais peut-être les effets quantiques stopperont l'effondrement et feront "rebondir" l'univers, transformant la contraction en expansion en créant un nouvel univers. Cependant, selon Lee Smolin, il semble qu'il n'y ait pas assez de matière pour renverser la marche de l'expansion et contrebalancer la tendance de l'énergie noire à l'accélérer. Pour éviter la mort infinie, il faudrait que la constante cosmologique ne soit pas une constante. Mais, si le faisceau de preuves actuel indique que l'énergie noire, qui est (?) la constante cosmologique, ne change pas à l'échelle de l'âge actuel de l'univers, rien ne permet d'affirmer qu'elle ne changera pas dans le long terme. Et ce changement pourrait être dû à une loi plus profonde dont les effets ne sont perceptibles qu'à de grandes échelles de temps, ou même être un effet de la tendance générale des lois à évoluer. En effet, le principe d'absence d'actions sans réciproque suggère que la constante cosmologique devrait être influencée par l'univers lui-même étant donné qu'elle agit sur lui de façon si décisive. Elle pourrait même devenir nulle mais il est peut probable qu'elle s'inverse. Ainsi, l'univers pourrait devenir éternel, mais statique. Ceci permettrait au moins de contourner le paradoxe du cerveau de Boltzmann. Alors conclut Lee Smolin, au final, l'univers sans constante cosmologique se dilatera pour toujours ou s'effondrera, selon les conditions initiales. Si l'énergie de l'expansion est suffisante, il ne s'effondrera jamais, il est alors éternel; mais même dans ce cas, il y a de nombreuses possibilités de renaissances, puisque chaque trou noir par sa fin peut conduire à la naissance d'un bébé univers par l'élimination de sa singularité ([..] Dans les deux cas, quand un état limite de haute densité de matière et de courbure de l'espace-temps est atteint, l'effondrement est stoppé par l'apparition d'une force répulsive et un autre Univers en expansion se crée à partir du nôtre par bourgeonnement, un peu comme une petite bulle qui gonflerait à la surface d'un ballon pour finir par créer deux Univers distincts, connectés par un petit raccord)..Il est fascinant de penser que si c'est la cas, alors notre univers, qui est loin d'être mort, a déjà conçu des un ou des milliards de milliards de bébés, qui donneront naissance à une nouvelle progéniture. 

-Les modèles d'univers cycliques. Cette catégorie de modèles impliquent l'univers entier et non juste ses trous noirs. Inventé par Paul Steinhard et Neil Turok, le modèle accomplit ceci en supposant que la constante cosmologie décroît à zéro, puis vers des valeurs fortement négatives (Endless Universe: Beyond the Big Bang). Le résultat est un effondrement dramatique de l'univers entier, mais les auteurs avancent que cet effondrement est suivi par un rebond et une nouvelle expansion. Cette théorie cyclique  des univers ektopyriques semble présenter un regain d'intérêt car il ignore la singularité et l'idée de création de l'univers qui traverserait une succession sans fin de "big bangs" et de "big crunches", séparés par des périodes d'expansion et de contraction. Le rebond pourrait être dû aux effets de la gravitation quantique (voir le site pourlascience.fr); Lee Smolin pense qu'il serait possible d'échapper à la singularité ultime grâce à la valeur extrême de l'énergie noire. Les indices théoriques que les singularités cosmologiques finales rebondissent par effet quantique et menant à une re-expansion sont mêmes plus fortes que dans le cas des singularités de trous noirs (voir note 5 page 322, Martin .Bojowald: https://arxiv.org/abs/gr-qc/0202077),   https://arxiv.org/abs/gr-qc/0206054, https://arxiv.org/pdf/gr-qc/0105113.pdf, https://arxiv.org/abs/gr-qc/0104072,  https://arxiv.org/abs/astro-ph/0311015). Ce phénomène semble universel dans la gravitation quantique à boucles. Il ne faut pas oublier que ce ne sont que des modèles, mais il est quasiment certain que les régions très uniformes de l'univers, sans ondes gravitationnelles, rebondissent pour donner lieu à de nouveaux univers. Par contre, des régions hautement inhomogènes ne rebondissent pas et s'effondrent en singularités où le temps s'arrête, ce qui a un en fin de compte un bon côté, car cela fournit un principe de sélection qui peut permettre de déterminer quelles sont de l'univers qui rebondissent et se reproduisent, et si seules les régions les plus homogènes rebondissent, alors les premiers instants des nouveaux univers seront aussi hautement homogènes peu après le rebond (Voir la note 6 page 323 à propos de la diversité dans l'univers de Phoenix exprimée dans l'article de Jean-Luc Lehners (https://arxiv.org/abs/1107.4551 ou en .pdf: https://arxiv.org/pdf/1107.4551.pdf). Selon Lee Smolin il en résulte un point positif, car il en découle une prédiction: "aux premiers instants, juste après le rebond, l'univers est hautement homogène, il n'y a ni trous noirs, ni trous blancs, ni ondes gravitationnelles, précisément comme nous l'observons dans notre univers". Mais pour que ce scénario devienne de la science, il doit y avoir au moins une prédictions de plus pour le rendre l'hypothèse testable. L'une d'entre elles pourrait concerner le spectre des fluctuations dans le CMB pour lequel le scénario cyclique offre une explication qui ne requiert pas la brève période d'inflation extrême souvent invoquée pour les expliquer. Le spectre des fluctuations qui a pu observé jusqu'à présent est bien reproduit par les deux scénarios (cyclique et inflation) mais il y a deux différences entre les prédictions qui peuvent être testées dans des expériences réalisables dès aujourd'hui et dans un futur proche. Un test est de détecter les ondes gravitationnelles dans le CMB  Alors, l'inflation dit que OUI, mais les modèles cycliques disent que NON! Les modèles cycliques prédisent aussi que le rayonnement du CMB n'est pas complètement aléatoire, mais non-gaussien. Dans ces modèles, on peut considérer que le temps, qui n'a pas commencé avec le big bang est  fondamental comme le pense Lee Smolin. Cela conduit, dit ce dernier, à une cosmologie plus prédictive. 

-Autres scénarios. 

     Théories à vitesse de la lumière variable. La vitesse de la lumière y est supposée avoir été différente (en fait beaucoup plus grande) dans l'univers très jeune. Ces théories choisissent une notion de temps privilégié qui viole les principes de la relativité. Elle ont été proposées par Jean-Pierre Petit en 1988 puis John Moffat en 1992 et popularisées par le duo Andreas Albrecht et João Magueijo en 1998 pour expliquer le problème de l'horizon en cosmologie et proposer ainsi une alternative à l'inflation cosmique. Laurent Sacco écrit dans Futura-sciences.com;:"Une nouvelle théorie, impliquant une vitesse de la lumière très élevée au moment du Big Bang, vient d'être proposée et elle conduit à une prédiction stricte testable (ce qui est un atout important)".

     Scénario de Roger Penrose dans Cycles of Time Une nouvelle vision extraordinaire de l'univers. (cosmologie cyclique conforme de Penrose)

[Voir aussi: https://guydoyen.fr/2010/11/20/roger-penrose-a-decouvert-des-preuves-d-un-univers-cyclique/ (Roger Penrose a découvert des preuves d’un Univers cyclique (voir https://arxiv.org/abs/1011.3706)]

Ainsi en adoptant la réalité du temps, nous dit Smolin, nous pouvons comprendre pourquoi l'univers que nous connaissons est structuré et complexe. Mais combien de temps peut-il le rester sans atteindre l'équilibre? Ne sommes-nous pas juste dans une bulle de complexité immergée dans un univers à l'équilibre beaucoup plus vaste? Cela amène à examiner le sujet très spéculatif de ce qu'est le très lointain (dans l'espace) et lointain futur.

-Nous avons vu au chapitre 3-1 que la vision du modèle boltzmannien infini spatialement semble aberrante selon Lee Smolin. Il me rassure plutôt dans mes convictions lorsqu'il affirme qu'il ne voit aucune raison d'échapper à la conclusion que l'univers est spatialement fermé, sans frontière. Rien n'est infiniment éloigné et il n'y a pas d'espaces infinis à affronter. Christian Magnan, adopte une attitude encore plus catégorique. Pour lui, l'infini est une imposture. Il écrit: "Si nous fabriquons des univers infinis, c'est que notre mode de production est vicieux". Une constatation s'impose: la cosmologie standard est "bousculée sur ses limites" et un nouvel Einstein serait sans doute le bienvenu! Restons pour le moment sur la position de Lee Smolin en acceptant un univers fermé sans frontière,car seul un univers spatialement fermé et fini obéit au principe de fermeture explicative (aucune chaîne d'explication ne doit déboucher hors de l'univers) et au principe de raison suffisante..

-Au chapitre 3-2) S'est posée la question: mais qu'en est-il du futur? Quid alors de l'infinité du temps? Selon Smolin, l'univers est plus leibnizien que boltzmannien (voir mon article 10 chapitre 3 univers leibnizien/vs univers bolrzmannien), c'est à dire un univers dans lesquels chaque instant et chaque événement sont absolument uniques et qui satisfont le principe d'identité des indiscernables). S'il est spatialement fini, cela épargne nombre de paradoxes d'un univers boltzmannien infini, mais pas tous. peut durer un temps infini et s'il ne se contracte jamais, il sera en expansion pour toujours. Et si le temps est infini, alors une fois que notre univers aura atteint sa mort thermique il restera une infinité de temps pour que des fluctuations aléatoires produisent une infinité de structures hautement improbables : on retombe sur le paradoxe du cerveau de Boltzmann. Ansi que l'a dit Lee Smolin,,la plus grande inconnue concernant ce futur très très lointain est le rôle qu’y jouera l'énergie sombre. Elle semble accélérer l’expansion de l’univers, mais tant qu’on n’aura pas compris sa nature et son lien avec la constante cosmologique on ne peut exclure l’hypothèse du modèle cyclique de l’Univers dans lequel l’espace se recompacte en Big Crunch. Nous avons vu aussi qu’il s’ensuit un Big Bounce  produisant un nouvel univers comme lors du Big Bang. Un tel événement doit théoriquement laisser des traces dans le fond diffus cosmologique. Le spectre des fluctuations qui a pu être observé jusqu'à présent est bien reproduit par les deux scénarios (cyclique et inflation) 

mais il y a deux différences entre les prédictions qui peuvent être testées dans des expériences réalisables dès aujourd'hui et dans un futur proche. Un des test est de détecter les ondes gravitationnelles dans le CMB. Les modèles cycliques prédisent que le rayonnement du CMB n'est pas complètement aléatoire, mais non-gaussien. Dans ces modèles, on peut considérer que le temps, qui n'a pas commencé avec le big bang est  fondamental comme le pense Lee Smolin. Cela conduit, dit ce dernier, à une cosmologie plus prédictive. Mais cela s'avère délicat comme l’a montré la récente “affaire” BICEP2. 

Parmi les autre théories, nous avons cité au chapitre 3-2 les théories à vitesse de la lumière variable proposées initialement par Jean-Pierre Petit en 1988 comme alternative à l'inflation cosmique, dont Laurent Sacco écrit dans Futura-sciences.com;:"[...]qu'elle conduit à une prédiction stricte testable". Il ne faut pas oublier Roger Penrose; qui propose dans l'ouvrage Cycles of Time (Une nouvelle vision extraordinaire de l'univers) avec la cosmologie cyclique conforme de Penrose (Conformal cyclic cosmology). Selon lui, le gaz de photons qui remplira l’univers en mort thermique est indiscernable de celui qui existait au moment du Big Bang, donc selon le principe de l'identité des indiscernables, c’est la même chose, et un nouvel univers naît automatiquement. Dans ce cas on devrait identifier des motifs circulaires décrits par Penrose dans le CMB. Ce dernier croyait les avoir trouvés en 2010 mais c’est fortement contesté.

Pour Lee Smolin cependant, l’idée d’une succession d’Univers est indispensable pour permettre l’ajustement des lois par évolution, comme il l’a écrit au chapitre 10 (voir article 3 au chapitre 2-4). Nous y avons vu que toute théorie qui aura l'ambition de répondre à la question "pourquoi ces lois"? et pour laquelle elles doivent être expliquées, ces lois devront évoluer. Lee Smolin s'appuie sur la philosophie de Charles Sanders Peirce (1839-1914), qui amorce son raisonnement: « Supposer que les lois universelles de la nature puissent être appréhendées par l'esprit et cependant ne disposer d'aucune explication pour leur forme, autre qu'inexplicable et irrationnelle, est une position difficile à justifier ». Le principe de raison suffisante de Leibniz implique que la science devrait être capable de répondre à la question pourquoi ces lois plutôt que d'autres? Pierce le souligne bien en écrivant: "Les uniformités font précisément partie de de ces faits ayant besoin de d'être expliqués...La loi est par excellence la chose qui exige une raison". D'où la nécessité de répondre à la question: pourquoi ces lois? Puis il affirme que "la seule manière possible de rendre compte des lois de la nature et de l'uniformité en général est de supposer qu'elles sont le fruit de l'évolution". Donc le fruit de leur rapport au temps. "Une explication rationnelle des lois et des conditions initiales particulières obtenues dans notre univers nécessite que la sélection se soit produite plus d'une fois, sans quoi nous ne pourrions rien expliquer du choix spécifique qui a été fait alors que si les mêmes conditions initiales et lois ont existé à de nombreuses reprises il pourrait y avoir des raisons à cela." Nous avons dit aussi dans ce chapitre 2-4 que, selon Lee Smolin, entre deux manières dont les nombreux big bang pourraient être organisés (simultanément ou séquentiellement), "c'est seulement dans le second cas que nous pouvons espérer développer une cosmologie capable de répondre à la question du pourquoi ces lois? en restant scientifique , dans le sens que nous serons en mesure d'élaborer des prédictions falsifiables". En effet, si le big bang n'a aucun passé, le choix des lois et des conditions initiales est arbitraire et il n'y a aucun test possible, de même que pour les scénarios dans lesquels existeraient une population vaste, voire infinie d'univers dont les big- bangs seraient déconnectés du notre. Ce postulat d'univers parallèles qui seraient causalement déconnectés du notre ne peut en rien, dit Lee Smolin, nous aider à expliquer les propriétés de notre univers. Pour avoir une prédiction qui soit falsifiable (au sens de Popper, c'est à dire que l'on peut contredire au moyen d'une expérience réalisable), il faut que les lois évoluent avec le temps. Ainsi, en réponse à la question "Qu'aura à dire la nouvelle théorie sur la nature du temps?", on peut résumer par la formulation de Roberto Mangabeira Unger (voir l'univers singulier et la réalité du temps, écrit avec Lee Smolin): ou bien le temps est réel, ou bien il ne l'est pas! S'il ne l'est pas, alors les lois sont intemporelles, mais le choix de ces lois est inexplicable. Mais si le temps est réel, rien ne dure toujours, pas même les lois. Si les lois agissent pour toujours, on est dans le paradigme newtonien et on peut réduire toute propriété du monde d'un moment ultérieur à celle d'un moment antérieur (principe de causalité). Cela signifie de manière équivalente qu'on peut remplacer n'importe quelle relation causale par une relation logique.Donc le fait que le temps soir réel signifie bien que les lois ne durent pas pour l'éternité, et donc qu'elles doivent évoluer. La notion de loi intemporelle telle que la physique l'a envisagée depuis Newton jusqu'à présent viole le principe du "relationnel" que nous avons examiné au chapitre 2-2 dans l'article 3, principe qui devrait contraindre la nouvelle théorie cosmologique que Smolin appelle de ses voeux. Il résulte du principe d'absence d'actions sans réciproque selon lequel rien dans l'univers n'agit sans qu'on puisse agir dessus. Si on fait le choix que les lois dérogent à ce principe, en les voyant comme "extérieures à l'univers", on les place alors hors du domaine de l'explication rationnelle. Pour rendre ces lois explicables, il faut les considérer comme faisant partie du monde comme tout objet sur lesquelles elles agissent. Elles deviennent alors du ressort de la causalité en participant du changement et de l'influence mutuelle qui font du monde un tout. 

Ainsi, conclut Lee smolin dans le chapitre 18 de son livre: "nous voyons que la cosmologie devient plus scientifique et nos idées plus vulnérables au test, si nous travaillons dans un cadre où le temps est réel et fondamental, et où l'histoire de l'univers est un élément nécessaire à notre compréhension de son état actuel (principe se causalité). Ceux qu'encombrent des présupposés métaphysiques comme quoi le but de la science est de découvrir des vérités représentées par des objets mathématiques intemporels (platonisme), pourraient croire que qu'éliminer le temps, rendant ainsi l'univers semblable à un objet mathématique, est la voie vers une cosmologie scientifique. Mais il s'avère que c'est tout l'opposé. Comme l'a compris Charles Sanders Pierce il y a plus d'un siècle, les lois doivent évoluer pour être explicables".Dans le prochain et dernier article à propos "ma lecture" du livre de Lee Smolin nous examinerons sa conclusion avec le chapitre 19 "le futur du temps et l'épilogue "penser dans le temps". 

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Modèles cosmologiques- 

Liste de modèles cosmologiques et présentation rapide