Des univers dans un verre à vin : quand les trous de ver réconcilient l'irréconciliable ✛ ✎ ✦
La cosmologie cherche depuis longtemps une porte de sortie derrière le Big Bang. L'inflation, proposée par Alan Guth, étire et aplatit les inhomogénéités primordiales, mais qu'est-ce qui a allumé la mèche elle-même ? Jusqu'à récemment, les physiciens oscillaient entre deux extrêmes : soit l'univers nouveau-né émerge de l'écume bouillonnante du cosmos primordial à travers un trou de ver, soit il surgit du pur « rien » — par un instanton sans frontière, comme l'enseignaient Stephen Hawking et James Hartle. La première image est un tunnelage entre espaces, la seconde une création sans scène extérieure. Une nouvelle classe de solutions montre qu'il ne s'agit pas d'un choix, mais de deux pôles d'un même spectre.
L'image centrale est le verre à vin. Mathématiquement, c'est le profil du facteur d'échelle a(τ), qui dépend du temps euclidien τ. La large coupe correspond à l'expansion de Sitter — le futur univers inflationnaire. La fine tige est le col du trou de ver, où la courbure de l'espace-temps atteint des valeurs extrêmes. La base plate symbolise l'asymptotique lointaine, d'où (ou vers où ?) s'échappe la géométrie tunnelante. Pour sculpter un tel verre à partir des équations d'Einstein, les auteurs ont ajouté de la matière : un champ scalaire auto-interagissant avec un potentiel présentant un plateau et un minimum, et une charge — axionique ou magnétique. C'est précisément la charge qui stabilise la tige, empêchant le col de s'effondrer prématurément. Sans elle, le verre s'effondrerait avant de pouvoir donner naissance à un univers.
Cette transition élégante efface la frontière artificielle entre tunnelage et état sans frontière. Du point de vue des champs quantiques et des fluctuations topologiques, de nombreuses histoires contribuent à la fonction d'onde de l'Univers, et les trous de ver en verre à vin sont une réalisation tangible de cette idée. La prochaine étape consiste à calculer le spectre des perturbations primordiales laissées par de tels scénarios dans le Fond diffus cosmologique, et à le comparer aux données des satellites WMAP et Planck. Si la signature se manifeste dans des anomalies statistiques subtiles, nous obtiendrons une fenêtre directe sur le tout début de l'expansion — au moment où le verre commençait à peine à se remplir de réalité.
La perspective est fascinante. Si les trous de ver en verre à vin sont réalistes, ils résolvent naturellement le problème des conditions initiales pour l'inflation et inscrivent l'inflation éternelle dans le cadre d'une cosmologie quantique cohérente. De plus, ils obligent à repenser le paradoxe de factorisation dans AdS/CFT et pourraient peut-être donner la clé du problème de la mesure — pourquoi, parmi d'innombrables variantes du multivers, c'est celle que nous voyons qui se réalise. Du verre à vin aux destinées de l'univers, il n'y a qu'une gorgée de mathématiques. Et dans cette gorgée, un goût de ce que notre univers n'est peut-être qu'une des innombrables étincelles jaillissant du goulot d'un trou de ver quantique.
Le facteur d'échelle de ces trous de ver dessine le profil d'un verre à vin : la large coupe est l'univers futur, la fine tige est le col, la base est l'asymptotique lointaine. D'où le nom poétique que les physiciens ont donné à leur solution.
Si dans « Interstellar » le trou de ver est un portail vers une autre galaxie, ici il est un berceau quantique d'univers, figé dans le temps euclidien.