À la recherche du code source de l'univers

Pasterski est une théoricienne des hautes énergies au Perimeter Institute for Theoretical Physics, et elle fait partie de la poignée de personnes sur la planète capables de naviguer dans le champ de mines mathématique connu sous le nom de gravité quantique. Son objectif est ce qu'elle appelle le « code source de l'univers ». C'est la recherche ultime d'un fichier maître : un ensemble de règles unique et cohérent qui explique pourquoi les étoiles restent dans leurs galaxies alors que les particules subatomiques se comportent comme des fantômes caféinés. Actuellement, nos meilleures descriptions de la réalité sont rédigées dans deux langages différents et incompatibles, et les physiciens commencent à soupçonner que la seule façon de les réconcilier est d'admettre que le monde en trois dimensions que nous habitons est en réalité une projection sophistiquée.

Il ne s'agit pas d'une théorie du complot sur le fait de vivre dans une simulation informatique, bien que la terminologie se chevauche souvent. Il s'agit plutôt d'une tentative mathématique rigoureuse de résoudre un paradoxe qui embarrasse les esprits les plus brillants de la science depuis un siècle. La relativité générale, le chef-d'œuvre d'Einstein, explique la gravité et les grandes structures — planètes, trous noirs et expansion du cosmos. La mécanique quantique explique les choses minuscules — électrons, photons et l'étrangeté du domaine subatomique. Le problème est que lorsque vous essayez d'utiliser les deux en même temps, les mathématiques s'effondrent. C'est comme essayer de faire tourner un jeu de PlayStation 5 sur une calculatrice des années 1980. Le système d'exploitation de l'univers plante à ses extrémités, et les théoriciens cherchent le correctif.

Le bug dans la machine à gravité

La physique est actuellement truffée de contradictions qui suggèrent que notre compréhension de l'espace et du temps n'est qu'une approximation grossière de quelque chose de plus profond. L'un des « bugs » les plus célèbres du système est le paradoxe de l'information des trous noirs. Selon la relativité générale, tout ce qui tombe dans un trou noir est perdu à jamais, écrasé dans une singularité. Mais selon la mécanique quantique, l'information ne peut jamais être réellement détruite. Si vous jetez un livre dans un trou noir, l'information contenue dans l'arrangement de ses atomes devrait, en théorie, être préservée. Lorsqu'un trou noir finit par s'évaporer via le rayonnement de Hawking, cette information semble disparaître. Il s'agit d'une erreur catastrophique dans la logique de l'univers.

Pasterski et ses collègues travaillent sur un cadre appelé holographie céleste pour corriger cela. L'idée repose sur le « principe holographique », qui suggère que toute l'information contenue dans un volume d'espace peut être décrite par les données situées à la limite de cet espace. Imaginez une boîte de conserve. Toutes les informations sur la soupe — sa température, le nombre de carottes, la teneur en sel — pourraient théoriquement être écrites sur l'étiquette bidimensionnelle entourant l'extérieur. Dans cette optique, notre réalité 3D n'est que le « volume », tandis que le véritable « code » est écrit sur une surface 2D située à la toute limite de l'univers.

Pourquoi le Holometer n'a pas réussi à trouver les pixels de l'espace

Si l'univers est une projection, alors l'espace lui-même devrait avoir une résolution. Tout comme une photo numérique devient une grille de pixels si vous zoomez suffisamment, de nombreux théoriciens pensent que l'espace-temps n'est pas lisse, mais « granulaire ». À l'échelle de Planck — la plus petite distance possible, environ 10 puissance moins 35 mètres — le tissu de la réalité devrait devenir granuleux. En 2015, des chercheurs du Fermilab ont tenté de trouver cette granularité à l'aide d'un appareil appelé Holometer. Il s'agissait d'une paire d'interféromètres laser massifs conçus pour détecter le « bruit holographique », une légère instabilité de l'univers qui prouverait que nous vivons dans une projection à basse résolution.

L'expérience a échoué. Les lasers sont restés stables et aucun bruit holographique n'a été détecté aux niveaux de sensibilité testés. Pour beaucoup, ce fut un coup dur pour l'idée que nous vivons dans un hologramme littéral. Mais pour des théoriciens comme Pasterski, le résultat n'était pas une impasse — c'était un raffinement. Il suggérait que le « code source » n'est pas aussi simple qu'un écran pixélisé. La connexion entre la limite 2D et le volume 3D est plus subtile. L'absence de preuves d'un univers instable n'a pas réfuté le principe holographique ; elle a simplement prouvé que l'univers ne « bugue » pas de la manière spécifique à laquelle Craig Hogan et son équipe du Fermilab s'attendaient.

C'est la nature itérative de la traque. Vous construisez une machine pour trouver une erreur spécifique, vous ne la trouvez pas, et vous retournez au tableau blanc pour comprendre pourquoi le code est mieux caché que vous ne le pensiez. La tension demeure car les mathématiques exigent toujours une unification. Nous savons que la matière noire existe, par exemple, parce que nous pouvons voir sa gravité agir sur les galaxies, mais nous n'avons jamais vu le « code » de la particule elle-même. Nous observons les effets d'un logiciel sans être capables de voir les lignes de texte qui le font fonctionner.

Dépouiller l'univers jusqu'à ses fondations

Lorsque Pasterski décrit son travail, elle le qualifie souvent de « puzzle existentiel ». Il y a une certaine ironie dans le fait que pour comprendre l'immensité du cosmos, il faille passer sa vie à fixer une feuille de papier couverte de symboles grecs et d'intégrales curvilignes. Mais c'est le seul moyen de sonder des environnements qu'aucun humain ou sonde ne visitera jamais. Nous ne pouvons pas aller au bord de l'univers et nous ne pouvons pas survivre au voyage à l'intérieur d'un trou noir, mais nous pouvons construire des modèles mathématiques qui représentent ces extrêmes avec une précision terrifiante.

Cette approche exige un niveau de concentration qui frise la méditation. Pasterski parle d'entrer dans un état d'esprit où les équations d'un univers simplifié à quatre dimensions — trois d'espace, une de temps — s'écoulent pendant des heures jusqu'à ce que le temps lui-même semble disparaître. C'est un processus qui consiste à dépouiller la « interface utilisateur » de la réalité — les arbres, les gens, la lumière — pour trouver les variables brutes sous-jacentes. Si nous parvenons à trouver le code source, nous ne comprendrons pas seulement comment l'univers a commencé ; nous pourrions comprendre de quoi il est réellement fait à son niveau le plus fondamental.

Il y a aussi la question de ce qui se passera si nous réussissons réellement. Tout au long de l'histoire, chaque fois que nous avons découvert une nouvelle couche du code, nous avons construit un nouveau monde. Comprendre les lois de la thermodynamique nous a donné la machine à vapeur. Comprendre l'électron nous a donné l'ordinateur. Si nous comprenons le code de la gravité et de la mécanique quantique, les applications techniques pourraient dépasser tout ce que nous voyons dans la science-fiction. Nous ne parlons pas seulement de meilleures fusées ; nous parlons de la capacité de manipuler le tissu de l'espace-temps lui-même.

Le poids de l'héritage

La recherche d'une « Théorie du Tout » a l'habitude de consumer la vie des personnes les plus brillantes au monde. Einstein a passé les trente dernières années de sa vie à essayer de trouver une théorie du champ unifié, sans succès. Stephen Hawking, que Pasterski a autrefois rencontré et rejoint lors d'une farandole lors d'un événement à Harvard, a passé sa carrière à poursuivre le même fantôme. Il y a un poids dans cet héritage qui peut être écrasant, mais Pasterski semble le considérer avec la même curiosité pragmatique qu'elle a appliquée à son Cessna. C'est juste un autre problème difficile à résoudre.

La communauté est profondément collaborative, même si elle est minuscule. Parce que les mathématiques sont si denses, les progrès se font par paliers. Un chercheur trouve un moyen de décrire un type spécifique d'interaction particulaire sur un plan 2D ; un autre trouve comment cartographier cela sur un champ de gravité 3D. Lentement, l'image commence à se préciser. Ils sont comme des développeurs travaillant sur un projet open-source massif qui tourne depuis des milliards d'années, essayant de faire de l'ingénierie inverse sur l'intention du programmeur original.