Brian Cox : quelque chose de terrifiant existait avant le Big Bang

La question de ce qui existait avant le Big Bang a toujours représenté un défi majeur pour les scientifiques. Aujourd’hui, de nouvelles théories émergent, révélant des concepts qui bouleversent notre compréhension de l’origine de l’univers. Selon le physicien Brian Cox, il faut être prudent avec le langage utilisé pour décrire ces phénomènes cosmiques.

La théorie de l’inflation cosmique

Si nous définissons soigneusement le Big Bang comme la période où l’univers était très chaud et très dense, nous pouvons observer ses traces en regardant le ciel nocturne. Notre meilleure théorie expliquant comment l’univers a atteint cet état suggère qu’il y a eu une période antérieure appelée inflation cosmique.

L’idée fondamentale est que l’univers existait dans un état froid et vide, puis s’est étendu extrêmement rapidement. Cette expansion a ensuite ralenti et s’est arrêtée, libérant l’énergie qui alimentait cette expansion dans l’espace, le réchauffant et créant toutes les particules dont nous sommes composés. C’est ce processus que nous appelons le Big Bang.

L’inflation éternelle et le multivers

Cette théorie possède une extension appelée inflation éternelle, selon laquelle l’inflation se poursuit essentiellement pour l’éternité, ne s’arrêtant que dans de petites zones localisées. Imaginez le tissu de l’univers, l’espace-temps, qui s’étire continuellement, puis ralentit et s’arrête dans certaines régions. Chacune de ces zones devient essentiellement un Big Bang et un univers, le nôtre étant l’un d’entre eux.

Cette vision aboutit à un univers fractal infini comportant un nombre infini de Big Bangs, concept connu sous le nom de multivers inflationnaire.

Le problème du néant absolu

Dans le vaste cosmos, l’idée d’un néant absolu semble plus théorique que réelle. Même si toute l’énergie était retirée de l’univers, celui-ci ne serait pas véritablement vide. Actuellement, l’univers regorge de matière, de radiation, d’antimatière, de neutrinos, de matière noire et d’énergie sombre.

Même sans énergie, l’univers continuerait de créer de nouvelles formes d’énergie. Ce phénomène nous déroute car il semble que l’univers ne comprenne pas notre concept de vide complet. Si nous retirions toute énergie en laissant un vide, nous pourrions nous attendre à ce que l’univers atteigne le zéro absolu sans aucune particule, mais ce n’est pas le cas.

L’énergie du point zéro

Même dans un univers vide, son expansion produirait encore des radiations. Cela s’étend loin dans le futur ou même retourne à l’époque précédant le Big Bang chaud. L’univers, semble-t-il, ne devient jamais vraiment vide.

Si nous nous éloignons de toute source de masse ou d’énergie, dégageons l’espace des champs électriques, magnétiques et gravitationnels externes, et empêchons les photons ou les ondes gravitationnelles d’y pénétrer, une sorte de vide physique existe encore. Dans cet espace, les champs quantiques perdurent, ainsi que les constantes fondamentales et les lois de la physique.

Il existe une valeur intrinsèque, finie, positive et non nulle de l’énergie du point zéro dans cet espace. Cela représente l’approximation la plus proche du néant dans notre univers. Bien que vous puissiez envisager un état encore plus proche du néant, il manquerait de réalité physique car aucune expérience ne peut reproduire une telle condition.

L’évolution de l’univers

Notre univers semble loin d’être vide. Il regorge d’étoiles, de gaz, de poussière, de galaxies, de quasars, de rayons cosmiques et de radiations provenant tant de la lumière stellaire que des vestiges du Big Bang. Le tissu de notre univers, connu sous le nom d’espace-temps, est en expansion.

Cela implique que si vous positionnez deux points très éloignés dans votre espace-temps, la distance propre entre ces deux points, le temps nécessaire à la lumière pour voyager entre eux, et la longueur d’onde de la lumière voyageant d’un point à l’autre augmentent tous avec le temps.

L’univers ne fait pas que grandir, il refroidit aussi en s’étendant. Quand la lumière s’étire vers des longueurs d’onde plus grandes, elle se dirige vers des énergies plus faibles et des températures plus froides. L’univers était plus chaud dans le passé et deviendra encore plus froid à l’avenir.

Les fondements observationnels

Au début du 20e siècle, une synthèse significative s’est produite quand quatre éléments d’information clés se sont assemblés. Les travaux d’Alexander Friedman sur la relativité générale d’Einstein ont montré qu’un univers rempli uniformément de toute forme de matière et d’énergie ne peut rester statique.

Les observations d’Henrietta Leavitt ont établi une connexion entre la période de luminosité des étoiles variables et leur brillance intrinsèque. Vesto Slipher a mesuré le décalage de la lumière des galaxies, indiquant qu’elles s’éloignaient de nous à des vitesses incroyablement élevées. Edwin Hubble et Milton Humason ont identifié des étoiles variables similaires dans les galaxies spirales et elliptiques, permettant de mesurer les distances de ces galaxies.

Les défis du Big Bang traditionnel

Alors que les preuves soutenant la théorie du Big Bang chaud se développaient dans les années 1960 et 1970, certains défis sont apparus que le Big Bang seul ne pouvait résoudre. Trois de ces défis se distinguent particulièrement.

Le problème de l’horizon : quand nous observons différentes directions, l’univers semble posséder des températures et une densité uniformes partout. Cependant, depuis le début du Big Bang chaud, ces régions n’ont jamais eu l’opportunité de communiquer ou d’atteindre un équilibre thermique.

Le problème de la platitude : dans un univers en expansion, il y a un conflit continuel entre l’expansion initiale qui pousse les choses à s’écarter et les forces gravitationnelles qui tentent de tout rassembler. Remarquablement, dans notre univers, ces forces opposées semblent parfaitement équilibrées.

Le problème des monopôles : si l’univers a subi des températures et conditions d’énergie extrêmes dans ses premiers stades, pourquoi n’observons-nous pas de vestiges exotiques comme les neutrinos droitiers et les monopôles magnétiques ?

La solution inflationnaire d’Alan Guth

En 1980, Alan Guth a introduit une solution révolutionnaire à ces mystères cosmologiques. Il a suggéré qu’une phase précoce d’expansion rapide et continue, où l’énergie de l’univers n’était pas répartie entre les particules de matière et de radiation mais était une partie intrinsèque de l’espace lui-même, pourrait résoudre ces trois problèmes.

L’inflation explique l’uniformité de température et de densité par l’interconnexion passée de tout dans l’univers. Cette connexion s’est étirée pendant la phase d’expansion précoce. Pour le problème de la platitude, l’inflation a tellement étendu l’univers que, quel que soit son état initial, la partie visible apparaît maintenant uniformément plate.

Les limites de l’inflation éternelle

Malgré son attrait, l’inflation éternelle a ses limites. Elle est éternelle seulement vers le futur, pas vers le passé. Il a été démontré que l’espace-temps inflationnaire ne s’étend pas infiniment dans le passé et doit avoir émergé d’un état antérieur non-inflationnaire et possiblement singulier.

Le problème de l’incomplétude temporelle passée ne peut être évité en considérant des alternatives comme les cosmologies rebondissantes ou cycliques, car elles font face à des défis similaires. Cependant, cela n’implique pas nécessairement que l’univers ait émergé d’une singularité.

Les champs quantiques et la réalité du vide

Selon la théorie des champs quantiques, l’une des théories les plus précises en physique, l’univers n’est pas fait de matière flottant dans l’espace vide, mais de champs d’énergie qui imprègnent l’espace et interagissent pour créer tout ce que nous observons.

Ces champs sont constamment en mouvement à cause des fluctuations quantiques, de brefs changements d’énergie similaires aux ondulations dans une vague. Même dans leur état le plus bas, connu sous le nom d’état du vide, les champs restent actifs. Des paires de particules positives et négatives empruntent continuellement de l’énergie au vide, apparaissent brièvement, puis disparaissent en retournant l’énergie.

Ces entités temporaires sont appelées particules virtuelles. Quand le champ est excité ou à un niveau d’énergie plus élevé, il a des ondulations ou des vagues qui produisent des particules élémentaires qui persistent et interagissent entre elles, formant le monde que nous connaissons.

Source : The Space Wind