sciences Comment le Big Bang a-t-il pu naître de rien ?

Je crois comprendre que rien ne vient de rien. Pour que quelque chose existe, il doit y avoir du matériel ou un composant disponible, et pour qu’ils soient disponibles, il doit y avoir quelque chose d’autre disponible. Maintenant, ma question: d’où vient le matériau qui a créé le Big Bang, et que s’est-il passé en premier lieu pour créer ce matériau ?



"La dernière étoile se refroidira lentement et s’estompera. Avec son trépas, l’univers redeviendra un vide, sans lumière, sans vie ni sens". C’est ce qu’a prévenu le physicien Brian Cox dans la récente série Universe de la BBC. La disparition de cette dernière étoile ne sera que le début d’une époque infiniment longue et sombre. Toute la matière finira par être consommée par des trous noirs monstrueux, qui à leur tour s’évaporeront dans les lueurs de lumière les plus faibles. L’espace s’étendra toujours vers l’extérieur jusqu’à ce que même cette faible lumière devienne trop étendue pour interagir. L’activité cessera.

Mais cela se passera t-il ainsi ? Curieusement, certains cosmologistes croient qu’un univers vide, sombre et froid comme celui qui se trouve dans notre avenir lointain aurait pu être la source de notre propre Big Bang.

La première question​

Mais avant d’en arriver là, jetons un coup d’œil à la façon dont la « matière matérielle » – la matière physique – est apparue pour la première fois. Si nous cherchons à expliquer les origines de la matière stable faite d’atomes ou de molécules, il n’y avait certainement rien de tout cela au Big Bang – ni pendant des centaines de milliers d’années par la suite. Nous avons en fait une compréhension assez détaillée de la façon dont les premiers atomes se sont formés à partir de particules plus simples une fois que les conditions se sont suffisamment refroidies pour que la matière complexe soit stable, et comment ces atomes ont ensuite été fusionnés en éléments plus lourds à l’intérieur des étoiles. Mais cette compréhension n’aborde pas la question de savoir si quelque chose est venu de rien.

Alors réfléchissons plus loin en arrière. Les premières particules de matière à longue durée de vie, quelles qu’elles soient, étaient les protons et les neutrons, qui constituent ensemble le noyau atomique. Ceux-ci ont vu le jour environ un dix millième de seconde après le Big Bang. Avant cela, il n’y avait vraiment aucun matériel dans un sens familier du terme. Mais la physique nous permet de continuer à retracer la chronologie à l’envers – jusqu’aux processus physiques antérieurs à toute matière stable.

p0bfh9xc.jpegCela nous amène à la soi-disant « grande époque unifiée ». À l’heure actuelle, nous sommes bien dans le domaine de la physique spéculative, car nous ne pouvons pas produire suffisamment d’énergie dans nos expériences pour sonder le type de processus qui se déroulaient à l’époque. Mais une hypothèse plausible est que le monde physique était composé d’une soupe de particules élémentaires à courte durée de vie – y compris les quarks, les éléments constitutifs des protons et des neutrons. Il y avait à la fois de la matière et de l'« antimatière » en quantités à peu près égales : chaque type de particule de matière, comme le quark, a un compagnon « image miroir » de l’antimatière, qui est presque identique à elle-même, ne différant que par un aspect. Cependant, la matière et l’antimatière s’annihilent en un éclair d’énergie lorsqu’elles se rencontrent, ce qui signifie que ces particules ont été constamment créées et détruites.

Mais comment ces particules en sont-elles venues à exister en premier lieu ? La théorie quantique des champs nous dit que même un vide, censé correspondre à un espace-temps vide, est plein d’activité physique sous forme de fluctuations d’énergie. Ces fluctuations peuvent donner lieu à l’apparition de particules, pour disparaître peu de temps après. Cela peut sembler une bizarrerie mathématique plutôt que de la physique réelle, mais de telles particules ont été repérées dans d’innombrables expériences.

L’état de vide de l’espace-temps bouillonne de particules constamment créées et détruites, apparemment « à partir de rien ». Mais peut-être que tout ce que cela nous dit vraiment, c’est que le vide quantique est (malgré son nom) quelque chose plutôt qu’un rien. Le philosophe David Albert a critiqué de manière mémorable les récits du Big Bang qui promettent d’obtenir quelque chose de rien de cette façon.

Supposons que nous demandions: d’où vient l’espace-temps lui-même? Ensuite, nous pouvons continuer à remonter l’horloge encore plus loin, dans la véritable « époque Planck » – une période si précoce dans l’histoire de l’univers que nos meilleures théories de la physique s’effondrent. Cette ère ne s’est produite qu’un dix-millionième de trillionième de trillionième de trillionième de seconde après le Big Bang. À ce stade, l’espace et le temps eux-mêmes sont devenus sujets à des fluctuations quantiques. Les physiciens travaillent habituellement séparément avec la mécanique quantique, qui régit le micromonde des particules, et avec la relativité générale, qui s’applique à de grandes échelles cosmiques. Mais pour vraiment comprendre l’époque de Planck, nous avons besoin d’une théorie complète de la gravité quantique, fusionnant les deux.

Nous n’avons toujours pas de théorie parfaite de la gravité quantique, mais il y a des tentatives – comme la théorie des cordes et la gravitation quantique à boucles. Dans ces tentatives, l’espace et le temps ordinaires sont généralement considérés comme émergents, comme les vagues à la surface d’un océan profond. Ce que nous vivons comme espace et temps est le produit de processus quantiques opérant à un niveau microscopique plus profond – des processus qui n’ont pas beaucoup de sens pour nous en tant que créatures enracinées dans le monde macroscopique.

À l’époque de Planck, notre compréhension ordinaire de l’espace et du temps s’effondre, de sorte que nous ne pouvons plus non plus compter sur notre compréhension ordinaire de la cause et de l’effet. Malgré cela, toutes les théories candidates de la gravité quantique décrivent quelque chose de physique qui se passait à l’époque de Planck – un précurseur quantique de l’espace et du temps ordinaires. Mais d’où cela vient-il ?

Même si la causalité ne s’applique plus de manière ordinaire, il pourrait encore être possible d’expliquer une composante de l’univers de l’époque de Planck en termes d’une autre. Malheureusement, à l’heure actuelle, même notre meilleure physique échoue complètement à fournir des réponses. Tant que nous n’aurons pas progressé vers une « théorie de tout », nous ne serons pas en mesure de donner de réponse définitive. Tout ce que nous pouvons dire avec confiance à ce stade, c’est que la physique n’a jusqu’à présent trouvé aucun cas confirmé de quelque chose découlant de rien.

Des cycles à partir de presque rien​

Pour vraiment répondre à la question de savoir comment quelque chose pourrait surgir de rien, nous aurions besoin d’expliquer l’état quantique de l’univers entier au début de l’ère Planck. Toutes les tentatives en ce sens restent hautement spéculatives. Certains d’entre eux font appel à des forces surnaturelles comme un designer. Mais d’autres explications candidates restent dans le domaine de la physique – comme un multivers, qui contient un nombre infini d’univers parallèles, ou des modèles cycliques de l’univers, naissant et renaissant à nouveau.

Le physicien Roger Penrose, lauréat du prix Nobel 2020, a proposé un modèle intrigant mais controversé pour un univers cyclique surnommé « cosmologie cyclique conforme ». Penrose a été inspiré par un lien mathématique intéressant entre un état très chaud, dense et petit de l’univers – comme il l’était au Big Bang – et un état extrêmement froid, vide et étendu de l’univers – tel qu’il sera dans un avenir lointain. Sa théorie radicale pour expliquer cette correspondance est que ces états deviennent mathématiquement identiques lorsqu’ils sont poussés à leurs limites. Aussi paradoxal que cela puisse paraître, une absence totale de matière aurait pu donner naissance à toute la matière que nous voyons autour de nous dans notre univers.

De ce point de vue, le Big Bang naît d’un quasi-rien. C’est ce qui reste lorsque toute la matière d’un univers a été consommée dans des trous noirs, qui à leur tour ont bouilli en photons – perdus dans le vide. L’univers entier naît donc de quelque chose qui, vu d’un autre point de vue physique, est aussi proche que possible de rien du tout. Mais que rien n’est encore une sorte de quelque chose. C’est toujours un univers physique, aussi vide soit-il.

Comment le même état peut-il être un univers froid et vide d’un point de vue et un univers chaud et dense d’un autre ? La réponse réside dans une procédure mathématique complexe appelée « redimensionnement conforme », une transformation géométrique qui modifie en fait la taille d’un objet mais laisse sa forme inchangée.

Penrose a montré comment l’état vide froid et l’état dense chaud pouvaient être liés par un tel redimensionnement afin qu’ils correspondent aux formes de leurs espaces-temps – mais pas à leurs tailles. Il est, certes, difficile de comprendre comment deux objets peuvent être identiques de cette manière lorsqu’ils ont des tailles différentes – mais Penrose soutient que la taille en tant que concept cesse d’avoir un sens dans des environnements physiques aussi extrêmes.

Dans la cosmologie cyclique conforme, la direction de l’explication va du vieux et du froid au jeune et au chaud: l’état dense chaud existe à cause de l’état froid vide. Mais ce « parce que » n’est pas le familier – d’une cause suivie dans le temps par son effet. Ce n’est pas seulement la taille qui cesse d’être pertinente dans ces états extrêmes : le temps aussi. L’état froid vide et l’état chaud dense sont en effet situés sur des lignes de temps différentes. L’état froid et vide continuerait éternellement du point de vue d’un observateur dans sa propre géométrie temporelle, mais l’état dense et chaud qu’il donne lieu habite effectivement une nouvelle chronologie qui lui est propre.

Il peut être utile de comprendre l’état dense chaud tel qu’il est produit à partir de l’état vide froid d’une manière non causale. Peut-être devrions-nous dire que l’état dense chaud émerge de, ou est enraciné, ou réalisé par l’état froid et vide. Ce sont des idées métaphysiques distinctes qui ont été largement explorées par les philosophes des sciences, en particulier dans le contexte de la gravité quantique où la cause et l’effet ordinaires semblent s’effondrer. Aux limites de nos connaissances, la physique et la philosophie deviennent difficiles à démêler.

Des preuves expérimentales?​

p0bfh7w0.jpegLa cosmologie cyclique conforme offre des réponses détaillées, bien que spéculatives, à la question de savoir d’où vient notre Big Bang. Mais même si la vision de Penrose est justifiée par les progrès futurs de la cosmologie, nous pourrions penser que nous n’aurions toujours pas répondu à une question philosophique plus profonde – une question sur l’origine de la réalité physique elle-même. Comment tout le système de cycles est-il né? Ensuite, nous nous retrouvons finalement avec la pure question de savoir pourquoi il y a quelque chose plutôt que rien – l’une des plus grandes questions de la métaphysique.

Mais nous nous concentrons ici sur les explications qui restent dans le domaine de la physique. Il y a trois grandes options à la question plus profonde de savoir comment les cycles ont commencé. Il ne pouvait avoir aucune explication physique. Ou il pourrait y avoir des cycles qui se répètent sans fin, chacun étant un univers à part entière, avec l’état quantique initial de chaque univers expliqué par une caractéristique de l’univers auparavant. Ou il pourrait y avoir un seul cycle, et un seul univers répétitif, avec le début de ce cycle expliqué par une caractéristique de sa propre fin. Les deux dernières approches évitent d’avoir besoin d’événements non causés – ce qui leur donne un attrait distinctif. Rien ne serait laissé inexpliqué par la physique.

Penrose envisage une séquence de nouveaux cycles sans fin pour des raisons en partie liées à sa propre interprétation préférée de la théorie quantique. En mécanique quantique, un système physique existe dans une superposition de plusieurs états différents en même temps, et n’en « choisit qu’un » au hasard, lorsque nous le mesurons. Pour Penrose, chaque cycle implique des événements quantiques aléatoires se déroulant d’une manière différente , ce qui signifie que chaque cycle sera différent de ceux qui l’ont précédé et suivi. C’est en fait une bonne nouvelle pour les physiciens expérimentaux, car cela pourrait nous permettre d’entrevoir le vieil univers qui a donné naissance au nôtre à travers de faibles traces, ou anomalies, dans le rayonnement restant du Big Bang vu par le satellite Planck.

Penrose et ses collaborateurs pensent qu’ils ont peut-être déjà repéré ces traces, attribuant des modèles dans les données de Planck au rayonnement des trous noirs supermassifs de l’univers précédent. Cependant, leurs observations revendiquées ont été contestées par d’autres physiciens et le jury restera à l’écart.

De nouveaux cycles sans fin sont la clé de la propre vision de Penrose. Mais il existe un moyen naturel de convertir la cosmologie cyclique conforme d’une forme multi-cycle en une forme à un cycle. Ensuite, la réalité physique consiste en un seul cycle à travers le Big Bang jusqu’à un état vide maximal dans un avenir lointain – puis à nouveau vers le même Big Bang, donnant naissance au même univers à nouveau.

Cette dernière possibilité est cohérente avec une autre interprétation de la mécanique quantique, surnommée l’interprétation des mondes multiples. L’interprétation des mondes multiples nous dit que chaque fois que nous mesurons un système qui est en superposition, cette mesure ne sélectionne pas aléatoirement un état. Au lieu de cela, le résultat de mesure que nous voyons n’est qu’une possibilité – celle qui se joue dans notre propre univers. Les autres résultats de mesure se jouent tous dans d’autres univers dans un multivers, effectivement coupé du nôtre. Donc, peu importe à quel point la chance que quelque chose se produise, si elle a une chance non nulle, alors elle se produit dans un monde parallèle quantique. Il y a des gens comme vous dans d’autres mondes qui ont gagné à la loterie, ou qui ont été emportés dans les nuages par un typhon monstrueux, ou qui se sont enflammés spontanément, ou qui ont fait les trois simultanément.

Certaines personnes croient que de tels univers parallèles peuvent également être observables dans les données cosmologiques, en tant qu’empreintes causées par un autre univers entrant en collision avec le nôtre.

La théorie quantique des mondes multiples donne une nouvelle tournure à la cosmologie cyclique conforme, mais pas celle avec laquelle Penrose est d’accord. Notre Big Bang pourrait être la renaissance d’un seul multivers quantique, contenant une infinité d’univers différents se produisant tous ensemble. Tout ce qui est possible arrive – puis cela se produit encore et encore et encore.

Un mythe ancien​

Pour un philosophe des sciences, la vision de Penrose est fascinante. Cela ouvre de nouvelles possibilités pour expliquer le Big Bang, en poussant nos explications au-delà de la cause et de l’effet ordinaires. C’est donc un excellent cas de test pour explorer les différentes façons dont la physique peut expliquer notre monde. Il mérite plus d’attention de la part des philosophes.

Pour un amoureux du mythe, la vision de Penrose est magnifique. Dans la forme multi-cycle préférée de Penrose, il promet de nouveaux mondes sans fin nés des cendres de leurs ancêtres. Dans sa forme à un cycle, c’est une ré-invocation moderne frappante de l’ancienne idée de l’ouroboros, ou serpent-monde. Dans la mythologie nordique, le serpent Jörmungandr est un enfant de Loki, un filou intelligent, et du géant Angrboda. Jörmungandr consomme sa propre queue et le cercle créé soutient l’équilibre du monde. Mais le mythe d’Ouroboros a été documenté partout dans le monde – y compris aussi loin que l’Égypte ancienne.

L’ouroboros de l’univers cyclique unique est en effet majestueux. Il contient dans son ventre notre propre univers, ainsi que chacun des univers alternatifs étranges et merveilleux possibles permis par la physique quantique – et au point où sa tête rencontre sa queue, il est complètement vide mais aussi en train de couler avec de l’énergie à des températures de cent milliards de milliards de milliards de milliards de degrés Celsius. Même Loki, le métamorphe, serait impressionné.
  • J'apprécie
Réactions: Philibert et voleur
À propos de l'auteur ou du traducteur
Regionalis
L'actualité internationale, culturelle, numérique et sportive.
G
Avec la théorie de la gravitation quantique à boucles certains physicien supposent qu'il y avait un univers avant le big-bang : selon la théorie de la gravitation quantique à boucles, la densité d'énergie de l'Univers primordial n'a pu dépasser mille milliards de masses solaires dans une région de la taille d'un proton. Une densité certes extraordinairement élevée, mais finie : dès lors, le Big Bang n'est plus synonyme de singularité initiale problématique.

D'autres encore parle de l'univers rebondissant, expansion, concentration, expansion, concentration, etc...
 

Informations sur l'article

Auteur
Regionalis
Temps de lecture
11 minutes à lire
Vues
59
Commentaires
1
Mise à jour

Dans la même catégorie

Partagez cet article

Haut