Brian Greene – Qu’y avait-il avant le Big Bang ?

Le Big Bang et l’évolution de l’univers

Le Big Bang explique l’évolution de l’univers à partir d’une densité et d’une température de départ actuellement bien au-delà de la capacité de l’humanité à répliquer. Les conditions les plus extrêmes et les premiers temps de l’univers sont donc spéculatifs et toute explication de la cause du Big Bang doit être prise avec des pincettes.

La question du « avant le Big Bang »

Toutefois, cela ne doit pas nous empêcher de poser des questions comme : qu’y avait-il avant le Big Bang ? Une autre réponse pourrait être que cette question même n’a pas autant de sens que les mots semblent le suggérer. Nous savons comment analyser cette phrase ; nous comprenons ce que signifie parler de l’« avant le Big Bang » car nous comprenons pleinement le sens de ce genre de phrase. Mais il se pourrait qu’à propos du Big Bang, la phrase ne signifie en fait rien du tout.

Il se pourrait que le Big Bang soit l’endroit où le temps lui-même a commencé, il y a environ 13,8 milliards d’années. On ne peut pas remonter dans le temps avant l’origine même du temps.

Les modèles mathématiques et l’observation

Pour comprendre comment l’univers est apparu, les scientifiques combinent des modèles mathématiques et des observations et développent des théories exploitables qui expliquent l’évolution du cosmos.

La théorie du Big Bang, qui repose sur les équations de la relativité générale classique, indique une singularité à l’origine du temps cosmique.

Cependant, les théories physiques de la relativité générale et de la mécanique quantique, telles qu’elles sont actuellement réalisées, ne sont pas applicables avant l’Ère de Planck, qui est la première période de temps dans l’histoire de l’univers. Corriger cela nécessitera le développement d’un traitement correct de la gravité quantique.

La gravité quantique et l’émergence du temps

Certains traitements de la gravité quantique impliquent que le temps lui-même pourrait être une propriété émergente, ce qui amène certains physiciens à conclure que le temps n’existait pas avant le Big Bang, tandis que d’autres sont ouverts à la possibilité que le temps ait précédé le Big Bang.

Une des idées fausses courantes sur le modèle du Big Bang est qu’il explique pleinement l’origine de l’univers. Cependant, le modèle du Big Bang ne décrit pas comment l’énergie, le temps et l’espace ont été causés, mais plutôt il décrit l’émergence de l’univers actuel à partir d’un état initial ultra-dense et à haute température.

Il est trompeur de visualiser le Big Bang en comparant sa taille à des objets quotidiens. Lorsque la taille de l’univers au moment du Big Bang est décrite, cela se réfère à la taille de l’univers observable, et non à l’ensemble de l’univers.

La chronologie de l’univers

Pour mieux comprendre l’univers à son état initial et son évolution ultérieure, les cosmologistes ont élaboré une chronologie de l’univers qui décrit l’histoire et l’avenir de l’univers selon la cosmologie du Big Bang.

La première picoseconde du temps cosmique, soit 1 billionnième de seconde, comprend l’Ère de Planck, pendant laquelle les lois physiques actuellement établies peuvent ne pas s’appliquer. Viennent alors l’émergence et les étapes des quatre forces fondamentales connues : d’abord la gravitation, puis les interactions électromagnétiques, faibles et fortes. L’expansion de l’espace lui-même et le superrefroidissement de l’univers encore immensément chaud sont dus à l’inflation cosmique.

À ce stade, de minuscules ondulations dans l’univers sont supposées être à la base des structures à grande échelle qui se sont formées beaucoup plus tard.

Si l’on regardait l’univers une seconde après le Big Bang, nous verrions une mer de 10 milliards de degrés comprenant des neutrons, protons, électrons, positons, photons et neutrinos. Environ une seconde après, les neutrinos se découplent, formant le fond de neutrinos cosmique. Si des trous noirs primordiaux existent, ils se forment également à ce moment-là. Les particules subatomiques composites émergent, y compris les protons et les neutrons.

Environ deux minutes après, les conditions sont favorables à la nucléosynthèse. Environ 25 % des protons et tous les neutrons fusionnent pour former des éléments plus lourds, initialement du deutérium, qui se transforme ensuite rapidement principalement en un isotope de l’hélium. Vingt minutes après, l’univers n’est plus assez chaud pour la fusion nucléaire, mais bien trop chaud pour que des atomes neutres existent ou que des photons parcourent de grandes distances. Il s’agit donc d’un plasma opaque.

L’ère de recombinaison commence vers 18 000 ans alors que les électrons se combinent avec les noyaux d’hélium. Vers 47 000 ans, alors que l’univers se refroidit, son comportement commence à être dominé par la matière plutôt que par le rayonnement. Vers 100 000 ans, après la formation des atomes neutres d’hydrogène, l’hydrure d’hélium est la première molécule formée.

Plus tard, l’hydrogène et l’hydrure d’hélium réagissent pour former de l’hydrogène moléculaire, qui est le carburant nécessaire pour les premières étoiles.

Environ 370 000 ans après, les atomes d’hydrogène neutres terminent leur formation et, par conséquent, l’univers devient aussi transparent pour la première fois. Les atomes nouvellement formés, principalement l’hydrogène et l’hélium avec des traces de lithium, atteignent rapidement leur état d’énergie le plus bas en libérant des photons, et ces photons peuvent encore être détectés aujourd’hui sous forme de fond diffus cosmologique ou CMB. Il s’agit de la plus ancienne observation que nous avons actuellement de l’univers.

Hypothèses sur ce qui a précédé le Big Bang

Bien qu’il ne soit pas connu ce qui a pu précéder l’état chaud et dense de l’univers primitif, ou comment et pourquoi il a originaire, ou même si ces questions ont du sens, les scientifiques ont avancé de nombreuses hypothèses et explications.

Il pourrait en être que le Big Bang ait été un événement intéressant, mais pas le premier événement dans la totalité de la réalité. Cela pourrait bien avoir été le premier événement qui a déclenché l’expansion de notre partie de l’espace, mais il pourrait y avoir un domaine plus grand duquel nous faisons partie. Ce domaine plus grand pourrait avoir été là depuis beaucoup plus longtemps, et pourrait avoir expérimenté ses propres Big Bangs, pouvant même s’étendre infiniment loin dans le passé.

Cela pourrait donc être que la réponse à la question de savoir ce qui s’est passé avant le Big Bang soit beaucoup d’autres Big Bangs, ou beaucoup d’autres événements quantiques se déroulant dans un paysage plus vaste de la réalité auquel nous n’avons pas accès directement.

Modèles cosmologiques alternatifs

Les modèles les plus simples dans lesquels le Big Bang a été causé par des fluctuations quantiques indiquent que l’univers est apparu instantanément, de notre perspective, en raison de l’absence de temps perçu avant le Big Bang.

Les modèles incluent la condition de non-limite de Hartle-Hawking, dans laquelle l’ensemble de l’espace-temps est fini. Le Big Bang ne représente pas la limite du temps sans aucune singularité. Dans ce cas, l’univers est autonome. Les modèles de cosmologie des cordes dans lesquels l’inflation est due au mouvement des cordes en théorie des cordes, le modèle pré-Big Bang, le modèle érotique dans lequel le Big Bang est le résultat d’une collision entre des membranes, et le modèle cyclique, une variante du modèle érotique où ces collisions se produisent périodiquement.

Dans ce dernier modèle, le Big Bang a été précédé d’un Big Crunch, et l’univers cyclera entre ces processus. L’inflation éternelle est un modèle selon lequel l’inflation universelle se termine localement ici et là de manière aléatoire, chaque point final menant à un univers-bulle se dilatant de son propre Big Bang. Des propositions dans ces catégories voient le Big Bang comme un événement dans un univers beaucoup plus grand et plus ancien ou dans un multivers.

Alors que nous ne comprenons actuellement pas et ne comprendrons peut-être jamais comment l’univers est apparu, ou si des questions telles que « qu’y avait-il avant le Big Bang » ont du sens, les scientifiques continueront néanmoins à chercher des réponses.

Source : Science Time