Une idée de la façon dont l'univers a commencé est que l'univers peut être apparu à partir de rien en raison d'un effet quantique, comme l'effet tunnel quantique. Dans les années 1980, Stephen Hawking et James Hartle ont approfondi cette idée en suggérant que le temps n'existait pas avant le début de l'univers, les conduisant à conclure que l'univers n'a pas de conditions aux limites initiales sur le temps ou l'espace. L'idée s'appelle la « proposition sans frontière » ou « l'État Hawking-Hartle ».

Cependant, décrire avec précision comment un système physique peut passer d'une taille nulle à une taille finie a été un défi. Pour décrire les effets quantiques impliqués, les physiciens utilisent la formulation intégrale de chemin, qui consiste à réécrire une seule trajectoire classique comme une intégrale sur plusieurs trajectoires possibles, résultant en une amplitude quantique.

Bien que la formulation intégrale de chemin réussisse à décrire comment quelque chose peut émerger de rien, un problème majeur est qu'il prédit des perturbations instables, ce qui implique que l'univers est hautement non homogène et non isotrope. Comme l'univers est connu pour être approximativement à la fois homogène et isotrope (ce qui signifie qu'il a la même apparence dans tous les endroits et dans toutes les directions), comme le dit le principe cosmologique, la formulation intégrale du chemin ne décrit pas avec précision l'univers observé. Cela a conduit certains scientifiques à conclure que la proposition sans frontière ne peut pas fournir une description précise des origines de l'univers.

Maintenant dans un nouveau papier, les physiciens Alice Di Tucci et Jean-Luc Lehners au Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute) à Potsdam, Allemagne, ont montré que la formulation intégrale de chemin peut être utilisée de manière à éviter les instabilités, tout en fournissant une définition cohérente de la proposition sans frontière.

"Je pense que la plus grande importance est que notre nouvelle définition ne décrit pas l'émergence de l'univers à partir d'une absence totale d'espace et de temps, " Lehners a dit Phys.org . "Plutôt, les nouvelles conditions mathématiques, que nous avons dû imposer pour éviter les instabilités, peut être interprété comme disant qu'il existait déjà des fluctuations de l'espace et du temps. C'est en fait ce que l'on pourrait attendre de la théorie quantique en tout cas, comme le principe d'incertitude quantique implique qu'il doit toujours y avoir des fluctuations, probablement même de l'espace et du temps."

La nouvelle proposition combine plusieurs idées qui ont déjà été suggérées pour surmonter le problème des instabilités. Leur travail modifie essentiellement la géométrie de l'espace sur lequel l'intégrale de chemin est définie. L'intégrale de chemin, qui représente l'état de l'univers à un certain moment, passe par certains points critiques appelés points-selles, qui correspondent aux états possibles de Hawking-Hartle.

Cependant, la plupart de ces points de selle sont instables. L'un des changements les plus importants apportés par les physiciens dans le nouvel article a été de modifier les conditions aux limites sur l'ensemble de la géométrie (en utilisant les conditions aux limites de Robin) pour supprimer les points de selle instables du chemin de l'intégrale de chemin. Dans la nouvelle géométrie, l'intégrale de chemin passe par un seul point selle, qui est stable, évitant ainsi le problème des instabilités. A ce point de selle stable, il existe un état de Hawking-Hartle qui satisfait la proposition sans frontière.

En démontrant une méthode stable pour formuler la proposition sans frontière, les résultats peuvent conduire à repenser l'idée en tant que description des origines de l'univers. Toujours, il reste de nombreuses questions.

"À l'avenir, nous prévoyons de voir à quel point notre nouvelle définition est robuste lors de l'incorporation d'aspects de la théorie des cordes, qui est la tentative la plus avancée d'une théorie complète de la gravité quantique, " Lehners a dit. " Aussi, nous prévoyons d'explorer si d'autres définitions stables de la proposition sans frontière pourraient exister, ou si notre nouveau est en quelque sorte unique. Et une grande question qui demeure est de savoir si nous pourrions en déduire des conséquences testables/observables. »

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