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

Qu’existait-il avant le Big Bang ? Cette question a toujours représenté un défi majeur pour les scientifiques. Mais selon le physicien Brian Cox, la réponse pourrait être plus troublante qu’on ne l’imagine. Ce que les chercheurs ont découvert sur ce qui précédait la naissance de notre univers remet en cause notre compréhension même du néant, de l’espace et du temps.

L’inflation cosmique : ce qui a précédé le Big Bang

Comme l’explique Brian Cox, il faut d’abord définir précisément ce qu’on entend par « Big Bang ». Si l’on considère le Big Bang comme le moment où l’univers était extrêmement chaud et dense — ce qui est vérifiable puisqu’on peut en observer les traces dans le ciel —, alors la meilleure théorie pour expliquer comment l’univers est arrivé dans cet état implique qu’il existaitune période antérieure, appelée inflation cosmique.

L’idée est la suivante : l’univers existait déjà, dans un certain sens, mais il était froid et vide. Il s’est alors étendu de manière extrêmement rapide. Cette expansion a fini par ralentir puis s’arrêter, et l’énergie qui la propulsait s’est déversée dans l’espace, le réchauffant et créant toutes les particules dont nous sommes constitués. C’est précisément cela que nous appelons le Big Bang.

L’inflation éternelle et le multivers

Cette théorie possède une extension fascinante appelée inflation éternelle. Selon ce concept, l’inflation se poursuit essentiellement pour toujours, ne s’arrêtant que dans de petites zones isolées. Il faut imaginer le tissu de l’univers, l’espace-temps, qui s’étire continuellement. Par endroits, cette expansion ralentit et cesse, et chacune de ces zones constitue fondamentalement un Big Bang et un univers — le nôtre n’étant que l’un d’entre eux.

On aboutit ainsi à l’image d’un univers fractal infini, comportant un nombre infini de Big Bangs. C’est ce qu’on appelle le multivers inflationnaire.

Le vide n’est jamais vraiment vide

Dans l’immensité du cosmos, l’idée d’un néant absolu semble davantage théorique que réelle. Même si l’on retirait toute énergie de l’univers, celui-ci ne serait pas véritablement vide. Actuellement, l’univers regorge de matière, de rayonnement, d’antimatière, de neutrinos, de matière noire et d’énergie noire. Et même sans énergie, l’univers continuerait à produire de nouvelles formes d’énergie.

Si l’on retirait toute énergie pour ne laisser qu’un vide, on pourrait s’attendre à atteindre le zéro absolu, sans la moindre particule. Pourtant, ce n’est pas le cas. Même dans un univers vide, son expansion continuerait de produire du rayonnement. Ce phénomène s’étend loin dans le futur, mais aussi en arrière, jusqu’à la période précédant le Big Bang chaud.

Si nous nous éloignions de toute source de masse ou d’énergie, si nous éliminions tous les champs électriques, magnétiques et gravitationnels externes, et si nous empêchions tout photon ou onde gravitationnelle d’entrer, il subsisterait quand même une forme de vide physique. Dans cet espace, les champs quantiques persistent, les constantes fondamentales et les lois de la physique demeurent. Il existe une valeur finie, positive et non nulle d’énergie du point zéro. C’est l’approximation la plus proche du néant que notre univers puisse offrir.

L’expansion de l’univers et son évolution

Le tissu de notre univers, connu sous le nom d’espace-temps, est en expansion. Cela signifie que si l’on place deux points suffisamment éloignés l’un de l’autre, la distance qui les sépare, le temps nécessaire à la lumière pour voyager entre eux, et la longueur d’onde de cette lumière augmentent tous au fil du temps.

L’univers ne fait pas que grandir : il refroidit également. À mesure que la lumière s’étire vers des longueurs d’onde plus grandes, elle se déplace vers des énergies plus basses et des températures plus fraîches. L’univers était plus chaud dans le passé et deviendra encore plus froid à l’avenir. Durant ce processus, les objets possédant une masse ou de l’énergie s’attirent mutuellement, formant des amas et créant un vaste réseau cosmique.

Si l’on retirait absolument tout — matière, rayonnement, chaque parcelle d’énergie — il resterait l’espace vide lui-même, toujours en expansion, toujours régi par les lois de la physique et toujours influencé par les champs quantiques.

Les problèmes que le Big Bang seul ne résolvait pas

Au début du XXe siècle, quatre découvertes majeures ont convergé pour former notre compréhension de l’expansion de l’univers : la percée d’Alexander Friedmann en relativité générale montrant qu’un univers rempli uniformément de matière ne peut rester statique, les travaux observationnels d’Henrietta Leavitt sur la relation période-luminosité des étoiles variables, les mesures de Vesto Slipher sur le décalage vers le rouge des galaxies, et les observations d’Edwin Hubble confirmant les distances de ces galaxies.

Si l’on remontait suffisamment loin dans le temps, toute la matière et tout le rayonnement auraient été comprimés dans un espace de plus en plus restreint, avec des densités et des températures toujours croissantes. En poussant le raisonnement à l’extrême, on atteindrait un état singulier où tout existait en un seul point de densité et de température infinies.

Cependant, dans les années 1960 et 1970, à mesure que les preuves en faveur du Big Bang s’accumulaient, certains problèmes sont apparus :

• Le problème de l’horizon : lorsqu’on observe différentes directions, l’univers semble posséder des températures et des densités uniformes. Or, ces régions n’ont jamais eu l’occasion de communiquer entre elles depuis le début du Big Bang. Comment ont-elles pu atteindre cet équilibre ?
• Le problème de la platitude : dans un univers en expansion, il y a une lutte constante entre l’expansion initiale et les forces gravitationnelles. De manière remarquable, ces forces opposées semblent parfaitement équilibrées, donnant un univers spatialement plat.
• Le problème des monopoles : si l’univers a connu des températures et des énergies extrêmes à ses débuts, pourquoi n’observe-t-on aucun vestige exotique, comme des neutrinos droitiers ou des monopoles magnétiques ?

La solution d’Alan Guth

En 1980, Alan Guth a proposé une solution révolutionnaire à ces énigmes cosmologiques. Il a suggéré qu’une phase initiale d’expansion rapide et continue, où l’énergie de l’univers n’était pas répartie entre les particules de matière et de rayonnement mais faisait partie intégrante de l’espace lui-même, pouvait résoudre les trois problèmes simultanément.

L’uniformité de température s’explique par le fait que tout était autrefois interconnecté avant d’être étiré par l’inflation. La platitude s’explique parce que l’inflation a tellement étendu l’univers que la partie visible apparaît désormais uniformément plate. Et l’absence de monopoles s’explique parce que l’inflation a empêché l’univers d’atteindre des énergies suffisamment élevées pour les produire.

Dans les années 1980, la théorie de l’inflation a formulé des prédictions précises et testables sur les débuts de la structure cosmique, qui devaient être détectables dans le fond diffus cosmologique et la structure à grande échelle de l’univers. Ces prédictions ont été confirmées par les observations des années 1990 jusqu’à aujourd’hui.

La question de l’origine ultime

Parce que l’inflation implique une expansion rapide de l’espace plutôt qu’une culmination en singularité, elle offre une vision alternative du commencement. Mais elle complique aussi les choses : sa croissance exponentielle rend difficile le retour à une singularité, car atteindre un état de taille nulle nécessiterait un temps infini en raison de la nature exponentielle de l’inflation.

Un aspect fascinant est que l’inflation éternelle n’est éternelle que vers le futur, pas vers le passé. Il a été démontré que l’espace-temps inflationnaire ne s’étend pas indéfiniment dans le passé et doit avoir émergé d’un état antérieur non inflationnaire, possiblement singulier. Ce problème d’incomplétude temporelle ne peut être contourné par des alternatives comme les cosmologies cycliques ou à rebond.

Les champs quantiques et l’illusion du vide

La théorie quantique des champs, l’une des théories les plus précises de la physique, nous enseigne que l’univers n’est pas composé de matière flottant dans un espace vide, mais de champs d’énergie qui imprègnent l’espace et interagissent pour créer tout ce que nous observons, y compris nous-mêmes.

Certains physiciens décrivent ces champs comme des fluides, tandis que d’autres les comparent à une pièce remplie de niveaux variables d’énergie. Ces champs sont en mouvement constant en raison des fluctuations quantiques — de brefs changements d’énergie semblables à des ondulations. Même dans leur état le plus bas, appelé 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. Ces entités temporaires sont appelées particules virtuelles.

Selon le physicien théoricien de Cambridge David Tong, sans les champs de force, les particules de matière dériveraient sans but dans l’univers, sans interactions ni comportements intéressants. Il y a aussi le champ de Higgs, que Tong compare à de la mélasse répandue dans tout l’univers, qui confère leur masse aux autres particules et les empêche de se déplacer à la vitesse de la lumière.

L’univers né du néant ?

Les physiciens proposent que l’univers visible est constitué de vestiges ayant survécu à la création et à la destruction constantes de particules virtuelles. Bien que l’univers soit rempli de ces particules, cela n’élimine pas totalement l’idée du néant. Il y a d’abord le néant d’avant le Big Bang, que nous ne comprenons pas encore. Ensuite, ce néant, composé de vastes champs d’énergie quantique, semble produire matière et force, menant à la création de notre monde.

Dans son livre Un univers à partir de rien, le physicien théoricien Lawrence Krauss a soutenu que la nature intrinsèquement instable du néant produit des particules élémentaires. Il existe également l’idée que l’univers entier pourrait être une immense particule virtuelle. L’hypothèse de la genèse par le vide propose que l’univers a commencé comme une grande fluctuation dans le néant qui le précédait.

En définitive, même si l’on peut imaginer un univers vide, cela ne correspond pas à la réalité. Le simple respect des lois de la physique suffit à exclure l’idée d’un univers véritablement vide. Tant qu’il y a de l’énergie, même l’énergie du point zéro du vide quantique, il existera toujours une forme de rayonnement impossible à éliminer. L’univers n’a jamais été complètement vide, et tant que l’énergie noire existera, il ne le sera jamais.

Source : The Space Wind