Cosmologies cycliques et la question BGV

Résumé

Plusieurs propositions cosmologiques contemporaines tentent de décrire l'univers comme cyclique plutôt que comme ayant un commencement temporel singulier : l'univers ekpyrotique (Steinhardt-Turok), la cosmologie cyclique conforme (Penrose), les modèles de rebond de la cosmologie quantique à boucles (Bojowald, Ashtekar), et plusieurs autres. Ces propositions partagent un intérêt à éviter les implications fortes de la cosmologie standard du Big Bang tout en préservant la physique inflationnaire ou substituée à l'inflation. Leur relation au théorème de Borde-Guth-Vilenkin — qui, sous des conditions spécifiques, établit l'incomplétude géodésique passée pour les modèles cosmologiques — a été une question théorique centrale. Au sein du Maslik 2 (Cosmique), les cosmologies cycliques sont abordées avec attention : elles constituent de la physique sérieuse, le théorème BGV s'applique sous des conditions que certains modèles cycliques tentent d'éviter, et l'argument de contingence demeure indépendant de la question du commencement temporel.

Le théorème BGV en bref

Le théorème de Borde-Guth-Vilenkin (Borde, Guth, et Vilenkin, Physical Review Letters 90, 2003) montre que tout espace-temps dont le taux d'expansion moyen est positif tout au long de son histoire passée (sous des conditions techniques impliquant le paramètre de Hubble moyen) est géodésiquement incomplet dans le passé : les géodésiques ne peuvent être étendues infiniment dans le passé.

Le théorème a été développé dans le contexte de la cosmologie inflationnaire et s'applique à une large classe de modèles cosmologiques qui présentent une expansion moyenne. Comme l'article quantum-cosmology-and-creation-ex-nihilo le souligne, le théorème établit l'incomplétude géodésique passée, non un commencement absolu en un sens métaphysique quelconque. Vilenkin lui-même a été prudent quant aux limites.

La question pertinente pour les cosmologies cycliques : ces modèles présentent-ils l'expansion positive moyenne qui déclenche le théorème BGV, ou l'évitent-ils par quelque caractéristique technique ?

Les principales propositions cycliques

L'univers ekpyrotique

Le modèle ekpyrotique de Paul Steinhardt et Neil Turok (développé dans Endless Universe: Beyond the Big Bang, 2007, et des articles techniques antérieurs) propose une cosmologie dans laquelle notre univers observable est une phase dans un cycle continu d'expansion et de contraction. Le « Big Bang » est réinterprété comme une collision entre deux « branes » de dimension supérieure dans un cadre de théorie des cordes. La phase d'expansion actuelle ralentira finalement, s'inversera et se contractera, avec une autre collision de branes initiant une autre phase d'expansion.

Le modèle ekpyrotique a des caractéristiques techniques qui lui permettent, dans certaines formulations, d'éviter le théorème BGV. Spécifiquement : si le taux d'expansion moyen sur l'ensemble du cycle (expansion + contraction) n'est pas positif mais s'équilibre à zéro (ou près de zéro), les conditions BGV ne sont pas remplies. Le modèle aurait alors une histoire passée illimitée.

Steinhardt a souligné cette caractéristique dans des travaux ultérieurs. Le modèle représente une proposition technique sérieuse qui vise un passé illimité tout en préservant les caractéristiques empiriques (fond diffus cosmologique, structure à grande échelle) que le modèle inflationnaire standard explique.

Les critiques (incluant Vilenkin dans des articles ultérieurs) ont pressé de savoir si le modèle ekpyrotique peut effectivement atteindre l'expansion-moyenne-zéro qui éviterait le théorème, et si la phase de contraction produit les caractéristiques empiriques nécessaires. Le débat technique est actif.

La cosmologie cyclique conforme de Penrose

Roger Penrose dans Cycles of Time (2010) propose la cosmologie cyclique conforme (CCC). Sur le modèle de Penrose, l'univers subit des éons successifs ; la fin d'un éon (mort thermique, après que toute matière s'est désintégrée et que seul le rayonnement demeure) est conformément identique au début du suivant (dans un état chaud dense de haute entropie). La transition éon-à-éon est lisse au niveau conforme ; le cycle continue indéfiniment.

Le modèle de Penrose est structurellement différent de Steinhardt-Turok : il n'implique pas de contraction, de collisions de branes, ou de structures de théorie des cordes. Il s'appuie sur des caractéristiques spécifiques de la géométrie conforme pour permettre à la fin de mort-thermique d'un éon de correspondre au début chaud-dense du suivant.

La relation du théorème BGV à la CCC est délicate. Chaque éon individuel implique une expansion positive moyenne et ferait face à la contrainte BGV en lui-même. Mais la structure éon-à-éon (si elle est formalisée avec succès) pourrait en principe étendre l'histoire passée indéfiniment.

Penrose a revendiqué des preuves empiriques possibles pour la CCC (motifs spécifiques dans le fond diffus cosmologique), bien que ces revendications aient été contestées.

Le rebond de la cosmologie quantique à boucles

La cosmologie quantique à boucles (Bojowald, Ashtekar, autres) propose que les effets quantique-gravitationnels à très hautes densités (près de la singularité standard du Big Bang) remplacent la singularité par un rebond. Dans le cadre de la cosmologie quantique à boucles, l'univers se contracte à une taille minimale avant de rebondir en expansion ; le « Big Bang » est le point de rebond.

Dans certains modèles de cosmologie quantique à boucles, le rebond est précédé d'une phase de contraction qui, à son tour, était précédée d'une autre phase d'expansion, et ainsi de suite indéfiniment dans le passé. Le modèle peut en principe être cyclique.

La relation BGV est technique. Le point de rebond implique la physique quantique-gravitationnelle où les hypothèses classiques du BGV peuvent ne pas s'appliquer.

Autres propositions

Plusieurs autres propositions — le scénario pré-Big-Bang de Veneziano-Gasperini, les variantes Lehners-Ovrut de l'ekpyrotique, les modèles cycliques avec interpolation d'inflation éternelle — étendent la gamme conceptuelle.

Évaluation des stratégies cycliques

L'évaluation du cadre de ces propositions implique plusieurs observations.

Elles constituent de la physique sérieuse

Chacune de ces propositions représente une théorie physique sérieuse. Elles ne sont pas des manœuvres ad hoc conçues pour éviter des conclusions théistes ; elles sont des réponses à de véritables problèmes théoriques en cosmologie inflationnaire standard. Le cadre les aborde comme de la physique, non comme une manœuvre idéologique.

Le cas empirique n'est pas fort

Aucune des propositions cycliques n'a atteint le soutien empirique dont jouit la cosmologie inflationnaire standard. Le modèle ekpyrotique a eu quelques prédictions empiriques mais elles n'ont pas été confirmées de manière décisive ; les revendications de Penrose sur la CCC concernant les motifs du fond diffus cosmologique ont été contestées. En tant que science empirique, les propositions cycliques sont spéculatives.

Éviter BGV ne réfute pas le cadre

Même si une cosmologie cyclique évite avec succès le théorème BGV et postule un passé illimité, l'argument du cadre n'est pas réfuté. Deux points sont cruciaux.

L'argument de contingence est indépendant du commencement temporel. L'argument de contingence d'Ibn Sīnā (voir ibn-sina-necessary-being) n'exige pas que l'univers ait commencé dans le temps. Même un univers existant éternellement (cyclique ou non) d'êtres contingents requiert un fondement nécessaire. Le cas Maslik 1 du cadre est indépendant de la question du commencement temporel.

L'argument du réglage fin est partiellement indépendant du commencement temporel. Le réglage fin des paramètres physiques que l'univers présente nécessiterait une explication indépendamment du fait que l'univers soit fini ou infini en durée passée. La cosmologie cyclique doit elle-même présenter les paramètres qui permettent une structure complexe, et l'explication de ces paramètres demeure ouverte. Voir multiverse-hypothesis-and-fine-tuning et fine-tuning-individual-parameters.

Le problème des cerveaux de Boltzmann peut s'appliquer

Les cosmologies cycliques avec une durée passée illimitée peuvent faire face au problème des cerveaux de Boltzmann (voir boltzmann-brain-problem-cosmology). Dans une cosmologie cyclique suffisamment longue, le nombre cumulatif d'observateurs cerveaux de Boltzmann à travers les cycles peut excéder le nombre d'observateurs causaux ordinaires. C'est une difficulté technique pour les propositions cycliques qui n'a pas été résolue.

Ce que la question cyclique établit

Au sein du cadre :

• Les cosmologies cycliques sont de la physique sérieuse qui devrait être abordée avec attention.
• Le théorème BGV s'applique sous des conditions spécifiques que certains modèles cycliques tentent d'éviter.
• Même l'évitement réussi de BGV ne réfute pas le cas plus large du cadre.
• L'argument de contingence et l'argument du réglage fin s'appliquent indépendamment de la question du commencement temporel.

Ce qu'elle n'établit pas :

• Qu'une proposition cyclique spécifique soit correcte. Ce sont des questions ouvertes en cosmologie.
• Que la cosmologie inflationnaire standard soit fausse. La cosmologie inflationnaire demeure le modèle contemporain le mieux soutenu.

La prudence de Vilenkin

Comme quantum-cosmology-and-creation-ex-nihilo le note, Vilenkin lui-même a été prudent quant aux implications du théorème BGV. Le théorème montre l'incomplétude géodésique passée sous des conditions spécifiques ; il n'entraîne pas par lui-même un commencement métaphysique. Certaines propositions cycliques évitent les conditions BGV de manières techniques spécifiques.

Le cadre suit la retenue de Vilenkin. Le théorème BGV est un élément de preuve ; il contribue modestement à l'argument cosmologique kalām (voir le publié cosmological-argument-kalam) ; il ne porte pas tout le poids du cas cosmologique du cadre. L'argument de contingence et l'argument du réglage fin portent un poids indépendant.

Ce que cet article établit

Contributions :

• Une carte des principales propositions cosmologiques cycliques.
• La relation de chacune au théorème BGV.
• L'engagement mesuré du cadre : les cosmologies cycliques sont de la physique sérieuse ; le cas plus large du cadre est indépendant de la question du commencement temporel.

Limites :

• L'article n'arbitre pas chaque détail technique de la cosmologie cyclique contemporaine.
• L'article ne prétend pas qu'une proposition cyclique spécifique soit correcte ou incorrecte en tant que physique.

Connexions aux autres Masālik

• Maslik 2 (ce maslik) : compagnon du publié cosmological-origins, cosmological-argument-kalam, et du boltzmann-brain-problem-cosmology de ce lot et des multiverse-hypothesis-and-fine-tuning, is-fine-tuning-real, quantum-cosmology-and-creation-ex-nihilo de lots précédents.
• Maslik 1 (Philosophique & Métaphysique) : l'argument de contingence s'applique indépendamment du modèle cosmologique. Voir ibn-sina-necessary-being et le publié contingency-argument.

Distinctions clés

• Modèle ekpyrotique (Steinhardt-Turok ; collisions de branes, cycles contraction-expansion) vs. Cosmologie Cyclique Conforme (Penrose ; lissage conforme éon-à-éon) vs. Rebond de cosmologie quantique à boucles (Bojowald-Ashtekar ; rebond quantique-gravitationnel)
• Expansion positive moyenne (condition pertinente-BGV) vs. expansion zéro moyenne (ce que les modèles cycliques tentent)
• Théorème BGV s'applique (la plupart des cosmologies inflationnaires) vs. BGV évité (certaines propositions cycliques, sous conditions techniques)
• Question du commencement temporel (affectée par cosmologie cyclique vs. standard) vs. question de contingence (indépendante du commencement temporel)
• Cas empirique-cosmologique pour les modèles cycliques (faible) vs. cas théorique-physique (substantiel)
• Revendications CMB de Penrose (contestées) vs. prédictions CMB inflationnaires standard (bien soutenues)

Principaux défenseurs

• Paul Steinhardt et Neil Turok — Endless Universe (2007)
• Roger Penrose — Cycles of Time (2010) ; The Road to Reality (2005)
• Martin Bojowald — Once Before Time (2010) ; cosmologie quantique à boucles
• Abhay Ashtekar — travaux techniques étendus sur la cosmologie quantique à boucles
• Gabriele Veneziano — scénario pré-Big-Bang
• Maurizio Gasperini — The Universe Before the Big Bang (2008)

Principaux critiques (des cosmologies cycliques, en partie)

• Alexander Vilenkin — engagement technique avec les modèles cycliques, souvent sceptique
• Alan Guth — défenseur de la cosmologie inflationnaire standard
• Andrei Linde — défenseur de l'inflation éternelle
• Nombreux cosmologues — abordant le cas empirique pour et contre les modèles cycliques
• La plupart de l'engagement est interne à la physique ; le cadre aborde ce débat technique plutôt que de l'arbitrer

Lectures supplémentaires

• Paul Steinhardt et Neil Turok, Endless Universe: Beyond the Big Bang, Doubleday, 2007
• Roger Penrose, Cycles of Time: An Extraordinary New View of the Universe, Knopf, 2010
• Martin Bojowald, Once Before Time: A Whole Story of the Universe, Knopf, 2010
• Maurizio Gasperini, The Universe Before the Big Bang: Cosmology and String Theory, Springer, 2008
• Arvind Borde, Alan Guth, et Alexander Vilenkin, « Inflationary Spacetimes Are Incomplete in Past Directions », Physical Review Letters 90 (2003)
• Alan Guth, The Inflationary Universe, Helix Books, 1998
• Alexander Vilenkin, Many Worlds in One, Hill and Wang, 2006
• Sean Carroll, From Eternity to Here: The Quest for the Ultimate Theory of Time, Dutton, 2010
• William Lane Craig et James D. Sinclair, « The Kalam Cosmological Argument », in Blackwell Companion to Natural Theology, 2009