Une étude propose un test pour le principe anthropique

Le principe anthropique, selon lequel l’univers dans lequel nous vivons est conçu pour accueillir la vie, a été proposé pour la première fois par Brandon Carter en 1973. Depuis lors, il a suscité d’importants débats.

Maintenant, un article publié dans le Journal de cosmologie et de physique des astroparticulesrédigé par Nemanja Kaloper, physicien du Département de physique et d’astronomie de l’Université de Californie à Davis, et Alexander Westphal, professeur au Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), décrit pour la première fois une manière de tester expérimentalement cela hypothèse.

Le principe anthropique (PA) peut être formulé de différentes manières. Celles-ci vont d’une simple description des faits – « si nous l’observons ici, l’univers a évolué avec les conditions nécessaires à l’émergence de la vie intelligente », connu sous le nom d’AP faible – à quelque chose d’un peu plus radical : « l’univers avait évoluer d’une manière qui a conduit à notre existence.

Cette interprétation plus forte, appelée AP fort, s’aventure souvent en territoire métaphysique, suggérant une sorte de « conception » et dépassant le domaine de la recherche scientifique sur l’univers.

Le problème avec l’AP, selon de nombreux scientifiques, est qu’il n’est pas particulièrement utile en tant qu’outil scientifique car il ne génère pas de prédictions testables et quantifiables qui pourraient à la fois élargir nos connaissances et soumettre le principe à un examen minutieux. Sans cela, cela reste plus une conjecture philosophique qu’une hypothèse scientifique.

L’AP suggère cependant que pour que notre univers se développe comme un lieu hospitalier pour la vie basée sur le carbone, il doit avoir commencé avec un ensemble de conditions initiales plutôt spécifiques. Nous déduisons cela en observant, par exemple, les valeurs de certaines constantes utilisées dans les équations qui décrivent l’univers – comme la constante gravitationnelle, la charge électronique et la constante de Planck – qui doivent être « parfaites ». Sinon, nous aurions un univers très différent et surtout inhospitalier.

En établissant les conditions initiales précises impliquées par l’AP et en calculant, sur la base des modèles physiques actuels, comment l’univers aurait évolué jusqu’à son état actuel, nous pourrions comparer le résultat aux observations astronomiques réelles. Tout écart entre la théorie et la réalité fournirait une mesure de la validité du PA.

Les nouveaux travaux de Nemanja Kaloper et Alexander Westphal proposent des prédictions spécifiques qui pourraient trouver une confirmation observationnelle dans les années à venir.

Pour comprendre leur proposition, certains éléments clés de la recherche cosmologique doivent être soulignés :

Inflation cosmique

Dans les premiers instants de son existence, l’univers a connu une période d’expansion rapide : en seulement 10 à 36 secondes, il est passé d’une taille infinitésimale (presque nulle) à une échelle macroscopique (certaines théories le décrivent comme la taille d’un raisin ou d’un raisin). un ballon de foot). Par la suite, l’expansion s’est ralentie, poursuivant à des rythmes similaires à ceux que nous observons aujourd’hui.

La physique de cette première phase était très inhabituelle, dominée par des phénomènes quantiques (gouvernant l’infiniment petit) qui ont influencé l’évolution ultérieure, permettant la formation des structures – galaxies, étoiles, etc. – que nous voyons aujourd’hui. Bien qu’aucune preuve directe de l’inflation cosmique n’ait encore été trouvée, il s’agit d’une théorie solide avec des confirmations observationnelles attendues dans les années à venir.

Matière noire

Vous en avez probablement entendu parler : les observations expérimentales nous disent qu’une partie importante de l’univers – environ les cinq sixièmes de sa matière – est composée de quelque chose que nous ne pouvons pas observer directement. Nous l’appelons matière noire, mais sa véritable nature reste inconnue. De nombreuses hypothèses ont été proposées, toutes en attente de confirmation expérimentale, attendue dans un avenir proche.

Axions

L’un des candidats à la matière noire est l’axion. Ces particules – ou plus probablement toute une classe de particules – sont extrêmement légères (beaucoup plus légères que l’électron, par exemple). Les axions ont été initialement proposés pour expliquer un phénomène quantique connu sous le nom de violation de la symétrie CP, qui implique l’interaction nucléaire faible, l’une des quatre forces fondamentales (les autres étant la gravité, l’électromagnétisme et l’interaction nucléaire forte).

Cependant, les chercheurs ont remarqué que certaines caractéristiques des axions – qui se seraient formés en grande abondance lors de l’inflation cosmique – correspondent à celles attendues pour la matière noire, comme leurs interactions minimales avec eux-mêmes et avec la matière ordinaire. Les observations de trous noirs pourraient confirmer leur existence dans les années à venir.

Tester l’AP implique de combiner ces trois éléments.

« Il est possible que le satellite LiteBIRD découvre des ondes de gravité primordiales proches des limites actuelles, qui correspondent à une inflation à grande échelle », explique Kaloper. « La plupart des cosmologistes penseraient que cela confirme une inflation à grande échelle. » LiteBIRD (Lite (Light) Satellite for the Study of B-mode Polarization) est une expérience que l’Agence japonaise d’exploration aérospatiale (JAXA) prévoit de lancer en 2032.

« Il est également possible que nous découvrions des signes d’axions ultralégers en observant les trous noirs supermassifs dans l’univers. Les axions affectent le rapport spin/masse des trous noirs, et cela pourrait être observé », poursuit Kaloper. De nombreuses expériences étudient déjà les trous noirs, et d’autres devraient commencer à fonctionner dans un avenir proche.

« Enfin », ajoute Kaloper, « il est possible que de futures recherches directes sur la matière noire découvrent que la matière noire n’est principalement pas constituée d’axions ultralégers. Dans ce cas, nous penserions que le principe anthropique échoue. »

Cependant, ce résultat n’est pas garanti.

« D’un autre côté, si les recherches directes sur la matière noire révèlent que la matière noire est en fait un axion ultraléger », poursuit Kaloper, « alors je pense que nous serions d’accord sur le fait que le principe anthropique a en fait réussi ce test ; en effet, cela pourrait arriver. « .

« Je trouve particulièrement intéressant que ces deux options puissent être testées expérimentalement dans un avenir pas trop lointain », conclut Kaloper.

« Et pour autant que mon collaborateur et moi le sachions, notre exemple spécifique est le premier cas où le principe anthropique pourrait effectivement échouer au test, au lieu de simplement déclarer qu’il ne s’applique pas.

« Le fait est que la présence d’axions gonflables à grande échelle et ultralégers avec des masses m > 10-19 eV impliquerait que la matière noire « doit » être un axion : pour des conditions initiales typiques, nous nous retrouverions avec beaucoup trop de choses. matière noire, et nous aurions désespérément besoin du principe anthropique pour la contraindre.

« Pour découvrir qu’axion n’est pas de la matière noire, nous déduirions que les conditions initiales étaient non seulement improbables (qui peuvent être corrigées de manière anthropique), mais extrêmement improbables, ce qui ne relève même pas du domaine du raisonnement anthropique. »

Il faudra donc attendre encore quelques années, peut-être même plus, pour rassembler toutes les preuves nécessaires pour réfuter ou confirmer le principe anthropique. Mais que se passe-t-il s’il s’avère incapable de passer le test ?

« Sans changer aucune des autres prémisses (universalité de la gravité, inflation précoce et phénomènes superradiants), l’échec de notre formulation simple de l’anthropique suggérerait que des règles différentes régissent les conditions initiales », explique Kaloper.

« Soit les différentes conditions initiales ne sont pas également probables, certaines étant biaisées par de nouvelles dynamiques encore non comprises, soit certaines conditions initiales sont totalement impossibles. Alternativement, la véritable théorie de la cosmologie pourrait être plus compliquée que nous le pensions. »

« On pourrait aussi imaginer des scénarios plus dramatiques, mais au moins pour l’instant, cela me semble être des envolées », conclut Kaloper.