ToziiKz
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Qu'y avait-il avant le Big Bang ?
C'est une question magnifique, fascinante. Comme nous allons le montrer, la réponse est un petit peu délicate car elle dépend du cadre de pensée dans lequel on se place. Je vais donc tenter d'abord d'y répondre du point de vue de la relativité générale - la très belle théorie d'Einstein qui est véritablement le paradigme dans lequel nous comprenons aujourd'hui l'Univers - et d'autre part dans le cadre de modèles plus spéculatifs qui sont peut-être plus adapté pour faire face à cette interrogation mais qui ne jouissent pas du même niveau de corroboration expérimental.
Alors qu'est-ce que c'est la relativité générale ? Finalement c'est une théorie du champ gravitationnel, mais en réalité c'est bien plus que ça, ce que nous montre la magnifique élaboration découverte (ou invention) d'Albert Einstein c'est aussi que le champ gravitationnel c'est la même chose que l'espace-temps. Et donc en nous montrant que le champ gravitationnel est en évolution, ce que Einstein pointe du doigt c'est que l'espace-temps lui-même est quelque chose susceptible d'évoluer. Autrement dit, l'espace-temps répond à la présence de matière, il se distant, il se distord, il se courbe eu égard à l'existence des corps. C’est ainsi que l'on comprend par exemple que la Terre tourne autour du Soleil non pas parce qu'une force l'y contraint – comme l'aurait suggéré Newton – mais au contraire parce que la Terre tente d'avancer suivant la ligne la plus droite possible dans l'espace, qui est lui-même incurvé par l'existence du Soleil.
Mais au-delà de ces propriétés de courbure et de géométrie un peu complexe, ce qui est vraiment magnifique dans la proposition einsteinienne c'est que l'espace et le temps deviennent des champs dynamiques, exactement comme un champ électrique dans la théorie quantique est quelque chose qui remplit l'espace et qui peut localement être excité sous forme de particules.
L'espace-temps devient une substance qui est elle-même en évolution. Autrement dit, il n'y a plus de différence radicale, « ontologique » diraient les philosophes, entre l'espace-temps qui était vu anciennement par Newton ou Kant comme le contenant et le contenu, les champs quantiques, les particules, tous ces objets avec lesquels les physiciens composent usuellement et c'est comme cela que l'on comprend l'évolution, et plus exactement l'expansion de l'Univers. Ce n'est pas un déplacement des corps à l'intérieur de l'espace, c'est l'espace lui-même qui se dilate. Autrement dit, nous observons le mouvement propre de l'espace tel qu'induit par les équations d'Einstein qui ne sont rien d'autre que les équations du mouvement de l'espace lui-même, exactement comme les équations que nous avons appris à l'école nous permettent de calculer l'évolution d'un feutre que l'on lancerait dans le champ gravitationnel de la Terre.
Alors bien sûr comme l'Univers est en expansion, ce que l'on observe aujourd'hui très bien du point de vue des galaxies qui s'éloignent mais aussi d'un point de vue d'un grand nombre d'autres observables fondamentaux de la cosmologie contemporaine. Il y a vraisemblablement eu un moment, si on repasse le film en arrière, où l'ensemble des points de l'espace se trouvaient concentrés strictement au même endroit, et ce moment c'est ce qu'on appelle le Big Bang.
Soyons clairs, le modèle du Big Bang au sens large c'est-à-dire le fait que l'Univers aujourd'hui est en expansion, le fait que l'essentiel et même la totalité de ce qui est visible dans notre environnement fut, il y a quelques 13,7 milliards d'années, concentrée dans un point qui était plus petit qu'une tête d'épingle, une sphère qui était extraordinairement minuscule, cela ne fait pratiquement plus question, je crois qu’on peut considérer qu’il s’agit de science établie, pas exacte car tout est toujours sujet à déconstruction en sciences, mais enfin il est peu probable que l’on revienne sur une Terre plate. Il me semble que la rotondité de la Terre est acquise, de la même manière le fait que la totalité de l’Univers visible se trouvait condensée dans un volume minuscule est quelque chose qui me semble presque aussi fondamentalement et fermement acquis.
Pour autant, si je remonte encore en avant vers l’instant initial là bien sûr les choses se compliquent. Car ce que nous apprend la théorie d’Einstein, la relativité générale, celle qui permet de comprendre l’ensemble des mouvements dans le cosmos depuis les trous noirs jusqu’aux étoiles, c’est que, à temps fini, quand je reviens dans le passé, il y a un instant auquel les choses se passent mal.
C’est ce que l’on pourrait appeler, au point de vue mathématique, une singularité. La singularité du Big Bang c’est le moment où les grandeurs physiques deviennent infinies, la température devient infinie, la densité devient infinie, la courbure devient infinie. Autrement dit, rien ne va plus.
Alors parfois, on dit qu’il s’agit d’une pathologie de l’espace-temps, moi je préférerais que nous soyons plus modestes, je crois que l’espace-temps va très bien, je ne pense pas qu’il est besoin d’une clinique. Je crois que si il y a une pathologie, c’est plutôt une pathologie de la théorie que nous utilisons pour décrire l’espace-temps.
Alors ce que nous dit la relativité générale est extrêmement clair, elle nous dit que quand je remonte dans le passé, j’atteins ce Big Bang et la question se pose alors : qu’y avait-il avant le Big Bang ?
Et la réponse que la théorie d’Einstein nous conduit à donner de façon extrêmement clair et non ambigu c’est que la question est fausse. Pourquoi la question est fausse ? Parce qu’il n’y a pas d’avant le Big Bang, du point de vue de la théorie relativiste c’est extrêmement clair : le temps et l’espace sont tellement liés qu’en réalité le temps et l’espace sont la même chose, ce ne sont que deux aspects d’une même entité sous-jacente. Il n’y a donc strictement aucune signification a penser un temps d’avant l’espace. Si l’espace apparaît au moment du Big Bang, le temps apparaît au moment du Big Bang. Comme si en quelques sortes les lignes se rejoignaient à l’instant du Big Bang.
Soyons parfaitement explicite. Je ne dis pas : « Nous ignorions ou nous ignorons ce qu’il y avait avant le Big Bang. ». Je dis : « « Avant le Big Bang » n’existe pas. ». C’est tout à fait différent comme réponse. Peut-être puis-je donner l’analogie qui a été développé par
Aucun point à la surface de la Terre ne se situe au Nord du pôle Nord. Donc soyons bien clair, cela ne veut pas dire : « J’ignore ce qu’il se trouve au Nord du pôle Nord », ça veut simplement dire : « Votre question n’a pas de sens. ». Il n’y a pas de point plus au Nord que le pôle Nord.
Et c’est exactement la même chose en cosmologie, ce que le modèle standard tente à nous enseigner c’est que l’avant Big Bang n’existe pas. C’est en quelques sortes une expression qui ne réfère à rien, la question est une erreur dans les termes, une contradiction dans les termes pour le dire comme les linguistes.
Cela est une réponse qui est parfaitement cohérente, du point de vue mathématique il n’y a pas de difficulté dans cette réponse et c’est celle que nous donne la grande théorie d’Einstein qui est par ailleurs si bien testée expérimentalement jusqu’à la mise en évidence direct il y a quelques années de
Pour autant, je sens en nous une forme d’insatisfaction par rapport à cette réponse. Cette insatisfaction je la partage, pas parce que cette réponse viendrait en quelques sortes choquée le sens commun parce qu’en réalité c’est un petit peu le rôle de la science, de la philosophie, de la pensée en général que de choquer le sens commun, et il n’est pas contradictoire, il n’est pas aporétique qu’une proposition scientifique signifiante et même correct voire juste vienne s’inscrire en faux par rapport à l’intuition usuelle, c’est même presque tout ce que nous a enseigné la science du XXè siècle. Donc pour le dire simplement, que ce soit « bizarre » ne signifie pas que c’est faux. Au contraire, de la physique quantique jusqu’à la relativité presque toute la science contemporaine est en effet « bizarre ».
Ce qui pose problème, c’est plutôt que cette réponse aussi clair et acceptable soit-elle émane d’une théorie qui n’est vraisemblablement plus utilisable au moment du Big Bang.
La relativité générale fonctionne extraordinairement bien, comme dit elle explique ce qui se passe dans les étoiles à neutrons, elle explique la croissance de l’Univers entre une fraction de secondes après le Big Bang jusqu’à l’accélération de l’expansion cosmologique aujourd’hui observée. Mais, elle n’explique vraisemblablement pas l’instant originel lui-même, le fameux T = 0, le Big Bang stricto sensu. Pourquoi ? D’abord comme je le disais plus haut, parce que le Big Bang en tant que divergence est une singularité donc une pathologie. Et pourquoi la théorie semble-t-elle être pathologique au moment du Big Bang ou au cœur des trous noirs ? Parce que vraisemblablement elle omet d’intégrer la physique quantique.
Nous avons deux grands piliers pour la science au XXè siècle : la relativité générale d'Einstein qui décrit admirablement le macrocosme et la physique quantique de Dirac, Bohr, Schrödinger, Heisenberg, Pauli qui décrit admirablement bien le microcosme. La plupart du temps, nous pouvons nous permettre le luxe d’être schizophrène. C’est-à-dire d’utiliser soit l’une, soit l’autre suivant le phénomène qui est considéré.
Mais, dans l’Univers primordial, c’est-à-dire très proche du Big Bang, il est notable que les deux théories doivent être utilisées simultanément car le monde est à la fois dans un régime relativiste : grande courbure, champ gravitationnel intense, et dans un régime quantique.
Par conséquent, il faut une théorie qui tienne compte des deux aspects ce que l’on nomme un modèle de gravitation quantique.
Hélas, cette gravitation quantique, qui est en quelques sortes le Graal de la physique théorique est recherchée depuis près d’un siècle par les plus grands esprits de la physique théorique – Einstein y a consacré plus d’un dizaine d’années – essentiellement sans succès, du moins disons sans succès faisant l’unanimité. Il n’y a pas aujourd’hui une convergence de vue dans la communauté des physiciens sur ce que doit être la théorie cohérente ou au moins acceptable de gravité quantique.
Donc nous avons plusieurs pistes, chacune de ces pistes va donner une réponse différente à la question de « Qu’y avait-il avant le Big Bang ? ».
Mais ce qui est extraordinaire, c’est que quand l’on pense, non plus dans le cadre de la relativité mais dans le cadre de ces modèles spéculatifs – puisque non encore vérifiés par l’expérience –, néanmoins mathématiquement nécessaire puisqu’ils intègrent la physique quantique, nous avons alors des réponses extrêmement différentes et en particularité la question retrouve du sens. Dans la plupart de ces approches il est à nouveau possible de se poser la question de ce qu’il y avait avant le Big Bang. Car le Big Bang cesse d’être l’instant primitif, parce que la singularité disparaît, la théorie redevient régulière, elle est pourrait-on dire « guérie » de sa pathologie. La clinique, ici, correspondrait en quelques sortes à l’introduction ou à la prise en compte des phénomènes quantiques.
Il y a essentiellement deux grandes classes de modèle pour décrire l’avant Big Bang dans ces approches – spéculatives je le rappel. Les modèles dits émergents dans lesquels l’Univers aurait en quelques sortes vécu dans une phase pré-spatiale ou pré-géométrique, aurait subi une transition de phase et aurait alors émergé sous la forme de ce monde en expansion que nous observons aujourd’hui, ou les modèles au rebond pour lesquels il y aurait une phase de contraction de l’Univers avant la phase d’expansion dans laquelle nous nous trouvons actuellement.
Alors pour des raisons de croyance (rappelons bien que ces théories sont spéculatives et que comme celles-ci ne sont pas vérifiées donc pas dans le domaine de la connaissance, nous sommes dans le domaine de la croyance, identique à une croyance théiste par exemple) je vais plutôt expliquer en quelques phrases la seconde théorie qui est celle au rebond et qui – mais cela n’engage que moi – est un petit peu plus convaincante que la première.
Je vais prendre l’exemple de la gravitation quantique à boucles qui est une tentative de théorie de gravitation quantique, tout le monde connaît, au moins de nom, la fameuse théorie des cordes qui est une très belle tentative d’unification de l’ensemble des interactions fondamentales et des forces élémentaires, que je trouve mathématiquement très élégante, très convaincante mais qui est très coûteuse également en hypothèse radicale et révolutionnaire. En théorie des cordes il faut supposer des dimensions supplémentaires, des symétries supplémentaires, tout cela est peut-être vrai ou n’est peut-être que le fruit de notre imagination, il est trop tôt pour conclure.
Au contraire, dans le modèle de gravitation quantique à boucles que j’évoque maintenant, il n’y a aucune hypothèse radicale supplémentaire, on tente simplement de réécrire la théorie d’Einstein dans un vocabulaire qui est proche de ce qui est utilisé en physique des particules élémentaires, on nomme cela une théorie de jauge, c’est-à-dire une théorie qui est décrite par des symétries et pour lesquelles on sait appliquer les procédures de quantification et donc on va voir émerger une théorie qui est à la fois quantique et gravitationnelle.
Les grandes leçons de cette théorie c’est que l’espace voire l’espace-temps serait lui-même composé de petits atomes fondamentaux, un peu comme la matière est constitué de particules insécables – qui ne sont pas vraiment les atomes d’ailleurs, plutôt les quarks dans l’état actuel des connaissances – l’espace serait lui-même composé de petites structures absolument fondamentales et absolument indivisibles du point de vue structurel.
Alors ce qui est intéressant pour la question qui nous occupe, c’est que lorsque nous appliquons cette théorie de gravitation quantique à l’évolution de l’Univers, on se rend compte que l’évolution contemporaine est très bien reproduite, l’Univers est en expansion parce que l’espace suit, en quelques sortes, son chemin. Mais quand je remonte dans le temps, vient un instant où la structure granulaire de l’espace commence à se révéler. Et cette structure granulaire va jouer le rôle d’une force de répulsion, on pourrait appeler cela une force de géométrie quantique, donc si je remonte dans le temps l’Univers de plus en plus dense et à un instant, alors que la gravité est très attractive et devrait le conduire à être encore plus dense, c’est la force de géométrie quantique qui va commencer à jouer de façon répulsive et qui va imposer à l’Univers une trajectoire symétrique de la trajectoire de condensation c’est-à-dire une trajectoire d’expansion.
Autrement dit si je repasse tout le film à l’envers, aujourd’hui nous sommes à l’état de nos connaissances, soit un Univers infiniment grand et en expansion, l’Univers se contracte de plus en plus jusqu’à arriver à un point extrême et l’Univers se dilate à nouveau. Et ce point de densité extrême, on ne l’appelle plus « Big Bang » mais « Big Bounce » c’est-à-dire « Grand Rebond ».
L’essentiel de la phase d’expansion est exactement similaire à celle du modèle du Big Bang donc l’image globale reste vrai mais la différence fondamentale c’est que dans cette théorie, ça ne s’achève pas à l’instant du Big Bang, il n’y a plus divergence il y a simplement rebond et il y a maintenant existence ou émergence d’une phase de contraction qui aurait précédé l’actuelle phase d’expansion.
Alors ceci a-t-il lieu une fois ou une infinité de fois donnant alors naissance à un cosmos cyclique comme on le trouvait dans certaines théogonie ou cosmogonie de la Grèce ancienne. Et bien la théorie ne le dit pas, cela dépend du contenu, par exemple en ce moment il semble que l’expansion de l’Univers accélère, c’est-à-dire que l’Univers se recontractera vraisemblablement pas auquel cas il se peut parfaitement qu’il n’y ai eu qu’un seul rebond. L’Univers aurait été de toute éternité dans une phase de contraction, il aurait rebondi une fois et se trouverait aujourd’hui de toute éternité future dans une phase d’expansion. Mais il se peut également qu’un certain nombre de contractions est eu lieu et qu’il y ai eu plusieurs rebonds successifs. Cela nous le savons pas.
Vous avez peut-être remarqué que lorsque l’on explique ce modèle, parfois les gens disent « C’est quand même incroyable, comment l’Univers pourrait-il ne pas avoir eu un début ? » Je ne suis absolument pas d’accord avec ça, ce qui est incroyable c’est que l’Univers est eu un début ! Ce qui est très dur à penser du point de vue presque métaphysique comme transition du « non-étant » à « l’étant » c’est le fait qu’il y ai eu un commencement. Le fait que l’Univers en tant que contenant, en tant qu’espace-temps soit éternel est non-seulement métaphysiquement plus cohérent et incontestablement mathématiquement plus satisfaisant.
Est-ce que c’est vrai ? Je n’en sais rien. Je ne sais pas car ce qui manque au-delà de la cohérence du modèle ce sont des indications observationnelles ou expérimentales. C’est exactement le travail premier des physiciens quantiques aujourd’hui, ils essayent de trouver des observables cosmologique qui laissent transparaître des petites empreintes de cet éventuel rebond voire de ce qui ce serait passé avant le rebond.
C’est un peu difficile à faire, car évidemment ce ne sont pas des choses simples. Néanmoins il y a un certain nombre de pistes, on sait par exemple que la structure causale d’un Univers qui a subi un rebond n’est pas exactement la même que celle d’un Univers qui n’en a pas subi. Par conséquent, la manière dont les fluctuations, c’est-à-dire les petites perturbations d’origines quantique, qui sont à l’origine de la formation des grandes structures dans l’Univers, qui sont à l’origine des galaxies, la manière dont ces fluctuations vont se répartir en fonction de leur taille dans un modèle sans rebond disons cosmologie standard de type relativité générale, ou dans un modèle avec rebond de type, par exemple et entre autres, gravité quantique à boucles ne sera pas la même donc ce que l’on tente d’étudier ce sont les conséquences, aujourd’hui observées par exemple par le satellite Planck, qu’auraient ces modèles de rebond sur la répartition des différentes fluctuations dans l’Univers en fonction de leur taille. Il y a des espoirs que nous puissions enfin tester ces choses mais nous ne sommes pas encore parvenus à trouver une observable qui soit absolument non ambigu.
Récemment par exemple, peut-être que des ondes gravitationnelles auraient pu traverser le Big Bounce et soient encore détectables dans l’Univers contemporain signant des phénomènes qui auraient pu avoir lieu dans la phase de contraction. C’est beaucoup trop tôt pour savoir si ces suggestions nous mèneront quelque part, vraisemblablement comme la plupart des idées échevelées elles ne mèneront nulle part mais elles méritent d’exister et de tenter de faire aujourd’hui entrer dans le giron de la science expérimentale les idées fondamentales de la gravité quantique qui sont directement liées aux manières de répondre à la question de l’avant Big Bang.
Donc en résumé, si je prends la théorie que je connais, que je contrôle et que j’aime, la relativité générale, la réponse est : il n’y a pas d’avant Big Bang. Avant le Big Bang n’existe pas car le temps apparaît au moment du Big Bang et c’est une réponse qui est acceptable. Cependant cette réponse émane d’une théorie qui est vraisemblablement incorrecte dans ce régime, il me faut donc recourir à une théorie de gravitation quantique. Le problème est qu’aujourd’hui nous n’avons pas de théorie de gravitation quantique qui soit bien comprise, bien testée et suffisamment validée par des prédictions expérimentales. La réponse ne peut donc être que spéculative et incertaine, dans ce cadre, une des réponses possibles qui est suggérée par la gravitation quantique à boucles c’est l’existence d’une phase de contraction de l’Univers suivi d’un rebond et de la phase d’expansion aujourd’hui observée. Ce rebond est extraordinairement puissant, il va essentiellement détruire tous les éventuels objets qui auraient existé dans la phase le précédent mais quelques structures physiques très faiblement couplées comme les ondes gravitationnelles pourraient éventuellement, avec des guillemets, avec des points d’interrogation, traverser le rebond et être encore aujourd’hui observables soit sous la forme de perturbations dans l’Univers primordial qui auraient laissé des empreintes dans le fond diffus cosmologique soit sous la forme d’ondes gravitationnelles directement observables par les interféromètres.
Ce sont des interrogations très fondamentales, c’est une histoire qui est loin d’être achevée mais je pense (j’espère) avoir dit où nous en sommes aujourd’hui pour répondre à la question « Qu’y avait-il avant le Big Bang ? ».
Je ne suis absolument pas physicien, je n’étudie ni ne travail dans ce domaine, il y a probablement des centaines d’erreurs dans ce récit et je vous encourage à me corriger si besoin, j’éditerais au-fur-et-à-mesure.
Bonne soirée.
C'est une question magnifique, fascinante. Comme nous allons le montrer, la réponse est un petit peu délicate car elle dépend du cadre de pensée dans lequel on se place. Je vais donc tenter d'abord d'y répondre du point de vue de la relativité générale - la très belle théorie d'Einstein qui est véritablement le paradigme dans lequel nous comprenons aujourd'hui l'Univers - et d'autre part dans le cadre de modèles plus spéculatifs qui sont peut-être plus adapté pour faire face à cette interrogation mais qui ne jouissent pas du même niveau de corroboration expérimental.
Alors qu'est-ce que c'est la relativité générale ? Finalement c'est une théorie du champ gravitationnel, mais en réalité c'est bien plus que ça, ce que nous montre la magnifique élaboration découverte (ou invention) d'Albert Einstein c'est aussi que le champ gravitationnel c'est la même chose que l'espace-temps. Et donc en nous montrant que le champ gravitationnel est en évolution, ce que Einstein pointe du doigt c'est que l'espace-temps lui-même est quelque chose susceptible d'évoluer. Autrement dit, l'espace-temps répond à la présence de matière, il se distant, il se distord, il se courbe eu égard à l'existence des corps. C’est ainsi que l'on comprend par exemple que la Terre tourne autour du Soleil non pas parce qu'une force l'y contraint – comme l'aurait suggéré Newton – mais au contraire parce que la Terre tente d'avancer suivant la ligne la plus droite possible dans l'espace, qui est lui-même incurvé par l'existence du Soleil.
Mais au-delà de ces propriétés de courbure et de géométrie un peu complexe, ce qui est vraiment magnifique dans la proposition einsteinienne c'est que l'espace et le temps deviennent des champs dynamiques, exactement comme un champ électrique dans la théorie quantique est quelque chose qui remplit l'espace et qui peut localement être excité sous forme de particules.
L'espace-temps devient une substance qui est elle-même en évolution. Autrement dit, il n'y a plus de différence radicale, « ontologique » diraient les philosophes, entre l'espace-temps qui était vu anciennement par Newton ou Kant comme le contenant et le contenu, les champs quantiques, les particules, tous ces objets avec lesquels les physiciens composent usuellement et c'est comme cela que l'on comprend l'évolution, et plus exactement l'expansion de l'Univers. Ce n'est pas un déplacement des corps à l'intérieur de l'espace, c'est l'espace lui-même qui se dilate. Autrement dit, nous observons le mouvement propre de l'espace tel qu'induit par les équations d'Einstein qui ne sont rien d'autre que les équations du mouvement de l'espace lui-même, exactement comme les équations que nous avons appris à l'école nous permettent de calculer l'évolution d'un feutre que l'on lancerait dans le champ gravitationnel de la Terre.
Alors bien sûr comme l'Univers est en expansion, ce que l'on observe aujourd'hui très bien du point de vue des galaxies qui s'éloignent mais aussi d'un point de vue d'un grand nombre d'autres observables fondamentaux de la cosmologie contemporaine. Il y a vraisemblablement eu un moment, si on repasse le film en arrière, où l'ensemble des points de l'espace se trouvaient concentrés strictement au même endroit, et ce moment c'est ce qu'on appelle le Big Bang.
Soyons clairs, le modèle du Big Bang au sens large c'est-à-dire le fait que l'Univers aujourd'hui est en expansion, le fait que l'essentiel et même la totalité de ce qui est visible dans notre environnement fut, il y a quelques 13,7 milliards d'années, concentrée dans un point qui était plus petit qu'une tête d'épingle, une sphère qui était extraordinairement minuscule, cela ne fait pratiquement plus question, je crois qu’on peut considérer qu’il s’agit de science établie, pas exacte car tout est toujours sujet à déconstruction en sciences, mais enfin il est peu probable que l’on revienne sur une Terre plate. Il me semble que la rotondité de la Terre est acquise, de la même manière le fait que la totalité de l’Univers visible se trouvait condensée dans un volume minuscule est quelque chose qui me semble presque aussi fondamentalement et fermement acquis.
Pour autant, si je remonte encore en avant vers l’instant initial là bien sûr les choses se compliquent. Car ce que nous apprend la théorie d’Einstein, la relativité générale, celle qui permet de comprendre l’ensemble des mouvements dans le cosmos depuis les trous noirs jusqu’aux étoiles, c’est que, à temps fini, quand je reviens dans le passé, il y a un instant auquel les choses se passent mal.
C’est ce que l’on pourrait appeler, au point de vue mathématique, une singularité. La singularité du Big Bang c’est le moment où les grandeurs physiques deviennent infinies, la température devient infinie, la densité devient infinie, la courbure devient infinie. Autrement dit, rien ne va plus.
Alors parfois, on dit qu’il s’agit d’une pathologie de l’espace-temps, moi je préférerais que nous soyons plus modestes, je crois que l’espace-temps va très bien, je ne pense pas qu’il est besoin d’une clinique. Je crois que si il y a une pathologie, c’est plutôt une pathologie de la théorie que nous utilisons pour décrire l’espace-temps.
Alors ce que nous dit la relativité générale est extrêmement clair, elle nous dit que quand je remonte dans le passé, j’atteins ce Big Bang et la question se pose alors : qu’y avait-il avant le Big Bang ?
Et la réponse que la théorie d’Einstein nous conduit à donner de façon extrêmement clair et non ambigu c’est que la question est fausse. Pourquoi la question est fausse ? Parce qu’il n’y a pas d’avant le Big Bang, du point de vue de la théorie relativiste c’est extrêmement clair : le temps et l’espace sont tellement liés qu’en réalité le temps et l’espace sont la même chose, ce ne sont que deux aspects d’une même entité sous-jacente. Il n’y a donc strictement aucune signification a penser un temps d’avant l’espace. Si l’espace apparaît au moment du Big Bang, le temps apparaît au moment du Big Bang. Comme si en quelques sortes les lignes se rejoignaient à l’instant du Big Bang.
Soyons parfaitement explicite. Je ne dis pas : «
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: imaginez un explorateur qui doit découvrir ce qu’il se passe sur Terre au niveau du pôle Nord, il va vers le Nord et il arrive au pôle Nord, et ses amis de la société géographique, lui demande : « Qu’y a-t-il au Nord du pôle Nord ? ». Et il répond : « Il n’y a pas de Nord du pôle Nord. ».Aucun point à la surface de la Terre ne se situe au Nord du pôle Nord. Donc soyons bien clair, cela ne veut pas dire : « J’ignore ce qu’il se trouve au Nord du pôle Nord », ça veut simplement dire : « Votre question n’a pas de sens. ». Il n’y a pas de point plus au Nord que le pôle Nord.
Et c’est exactement la même chose en cosmologie, ce que le modèle standard tente à nous enseigner c’est que l’avant Big Bang n’existe pas. C’est en quelques sortes une expression qui ne réfère à rien, la question est une erreur dans les termes, une contradiction dans les termes pour le dire comme les linguistes.
Cela est une réponse qui est parfaitement cohérente, du point de vue mathématique il n’y a pas de difficulté dans cette réponse et c’est celle que nous donne la grande théorie d’Einstein qui est par ailleurs si bien testée expérimentalement jusqu’à la mise en évidence direct il y a quelques années de
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, ces petits tressaillements fugaces de la maîtrise de l’espace-temps.Pour autant, je sens en nous une forme d’insatisfaction par rapport à cette réponse. Cette insatisfaction je la partage, pas parce que cette réponse viendrait en quelques sortes choquée le sens commun parce qu’en réalité c’est un petit peu le rôle de la science, de la philosophie, de la pensée en général que de choquer le sens commun, et il n’est pas contradictoire, il n’est pas aporétique qu’une proposition scientifique signifiante et même correct voire juste vienne s’inscrire en faux par rapport à l’intuition usuelle, c’est même presque tout ce que nous a enseigné la science du XXè siècle. Donc pour le dire simplement, que ce soit « bizarre » ne signifie pas que c’est faux. Au contraire, de la physique quantique jusqu’à la relativité presque toute la science contemporaine est en effet « bizarre ».
Ce qui pose problème, c’est plutôt que cette réponse aussi clair et acceptable soit-elle émane d’une théorie qui n’est vraisemblablement plus utilisable au moment du Big Bang.
La relativité générale fonctionne extraordinairement bien, comme dit elle explique ce qui se passe dans les étoiles à neutrons, elle explique la croissance de l’Univers entre une fraction de secondes après le Big Bang jusqu’à l’accélération de l’expansion cosmologique aujourd’hui observée. Mais, elle n’explique vraisemblablement pas l’instant originel lui-même, le fameux T = 0, le Big Bang stricto sensu. Pourquoi ? D’abord comme je le disais plus haut, parce que le Big Bang en tant que divergence est une singularité donc une pathologie. Et pourquoi la théorie semble-t-elle être pathologique au moment du Big Bang ou au cœur des trous noirs ? Parce que vraisemblablement elle omet d’intégrer la physique quantique.
Nous avons deux grands piliers pour la science au XXè siècle : la relativité générale d'Einstein qui décrit admirablement le macrocosme et la physique quantique de Dirac, Bohr, Schrödinger, Heisenberg, Pauli qui décrit admirablement bien le microcosme. La plupart du temps, nous pouvons nous permettre le luxe d’être schizophrène. C’est-à-dire d’utiliser soit l’une, soit l’autre suivant le phénomène qui est considéré.
Mais, dans l’Univers primordial, c’est-à-dire très proche du Big Bang, il est notable que les deux théories doivent être utilisées simultanément car le monde est à la fois dans un régime relativiste : grande courbure, champ gravitationnel intense, et dans un régime quantique.
Par conséquent, il faut une théorie qui tienne compte des deux aspects ce que l’on nomme un modèle de gravitation quantique.
Hélas, cette gravitation quantique, qui est en quelques sortes le Graal de la physique théorique est recherchée depuis près d’un siècle par les plus grands esprits de la physique théorique – Einstein y a consacré plus d’un dizaine d’années – essentiellement sans succès, du moins disons sans succès faisant l’unanimité. Il n’y a pas aujourd’hui une convergence de vue dans la communauté des physiciens sur ce que doit être la théorie cohérente ou au moins acceptable de gravité quantique.
Donc nous avons plusieurs pistes, chacune de ces pistes va donner une réponse différente à la question de « Qu’y avait-il avant le Big Bang ? ».
Mais ce qui est extraordinaire, c’est que quand l’on pense, non plus dans le cadre de la relativité mais dans le cadre de ces modèles spéculatifs – puisque non encore vérifiés par l’expérience –, néanmoins mathématiquement nécessaire puisqu’ils intègrent la physique quantique, nous avons alors des réponses extrêmement différentes et en particularité la question retrouve du sens. Dans la plupart de ces approches il est à nouveau possible de se poser la question de ce qu’il y avait avant le Big Bang. Car le Big Bang cesse d’être l’instant primitif, parce que la singularité disparaît, la théorie redevient régulière, elle est pourrait-on dire « guérie » de sa pathologie. La clinique, ici, correspondrait en quelques sortes à l’introduction ou à la prise en compte des phénomènes quantiques.
Il y a essentiellement deux grandes classes de modèle pour décrire l’avant Big Bang dans ces approches – spéculatives je le rappel. Les modèles dits émergents dans lesquels l’Univers aurait en quelques sortes vécu dans une phase pré-spatiale ou pré-géométrique, aurait subi une transition de phase et aurait alors émergé sous la forme de ce monde en expansion que nous observons aujourd’hui, ou les modèles au rebond pour lesquels il y aurait une phase de contraction de l’Univers avant la phase d’expansion dans laquelle nous nous trouvons actuellement.
Alors pour des raisons de croyance (rappelons bien que ces théories sont spéculatives et que comme celles-ci ne sont pas vérifiées donc pas dans le domaine de la connaissance, nous sommes dans le domaine de la croyance, identique à une croyance théiste par exemple) je vais plutôt expliquer en quelques phrases la seconde théorie qui est celle au rebond et qui – mais cela n’engage que moi – est un petit peu plus convaincante que la première.
Je vais prendre l’exemple de la gravitation quantique à boucles qui est une tentative de théorie de gravitation quantique, tout le monde connaît, au moins de nom, la fameuse théorie des cordes qui est une très belle tentative d’unification de l’ensemble des interactions fondamentales et des forces élémentaires, que je trouve mathématiquement très élégante, très convaincante mais qui est très coûteuse également en hypothèse radicale et révolutionnaire. En théorie des cordes il faut supposer des dimensions supplémentaires, des symétries supplémentaires, tout cela est peut-être vrai ou n’est peut-être que le fruit de notre imagination, il est trop tôt pour conclure.
Au contraire, dans le modèle de gravitation quantique à boucles que j’évoque maintenant, il n’y a aucune hypothèse radicale supplémentaire, on tente simplement de réécrire la théorie d’Einstein dans un vocabulaire qui est proche de ce qui est utilisé en physique des particules élémentaires, on nomme cela une théorie de jauge, c’est-à-dire une théorie qui est décrite par des symétries et pour lesquelles on sait appliquer les procédures de quantification et donc on va voir émerger une théorie qui est à la fois quantique et gravitationnelle.
Les grandes leçons de cette théorie c’est que l’espace voire l’espace-temps serait lui-même composé de petits atomes fondamentaux, un peu comme la matière est constitué de particules insécables – qui ne sont pas vraiment les atomes d’ailleurs, plutôt les quarks dans l’état actuel des connaissances – l’espace serait lui-même composé de petites structures absolument fondamentales et absolument indivisibles du point de vue structurel.
Alors ce qui est intéressant pour la question qui nous occupe, c’est que lorsque nous appliquons cette théorie de gravitation quantique à l’évolution de l’Univers, on se rend compte que l’évolution contemporaine est très bien reproduite, l’Univers est en expansion parce que l’espace suit, en quelques sortes, son chemin. Mais quand je remonte dans le temps, vient un instant où la structure granulaire de l’espace commence à se révéler. Et cette structure granulaire va jouer le rôle d’une force de répulsion, on pourrait appeler cela une force de géométrie quantique, donc si je remonte dans le temps l’Univers de plus en plus dense et à un instant, alors que la gravité est très attractive et devrait le conduire à être encore plus dense, c’est la force de géométrie quantique qui va commencer à jouer de façon répulsive et qui va imposer à l’Univers une trajectoire symétrique de la trajectoire de condensation c’est-à-dire une trajectoire d’expansion.
Autrement dit si je repasse tout le film à l’envers, aujourd’hui nous sommes à l’état de nos connaissances, soit un Univers infiniment grand et en expansion, l’Univers se contracte de plus en plus jusqu’à arriver à un point extrême et l’Univers se dilate à nouveau. Et ce point de densité extrême, on ne l’appelle plus « Big Bang » mais « Big Bounce » c’est-à-dire « Grand Rebond ».
L’essentiel de la phase d’expansion est exactement similaire à celle du modèle du Big Bang donc l’image globale reste vrai mais la différence fondamentale c’est que dans cette théorie, ça ne s’achève pas à l’instant du Big Bang, il n’y a plus divergence il y a simplement rebond et il y a maintenant existence ou émergence d’une phase de contraction qui aurait précédé l’actuelle phase d’expansion.
Alors ceci a-t-il lieu une fois ou une infinité de fois donnant alors naissance à un cosmos cyclique comme on le trouvait dans certaines théogonie ou cosmogonie de la Grèce ancienne. Et bien la théorie ne le dit pas, cela dépend du contenu, par exemple en ce moment il semble que l’expansion de l’Univers accélère, c’est-à-dire que l’Univers se recontractera vraisemblablement pas auquel cas il se peut parfaitement qu’il n’y ai eu qu’un seul rebond. L’Univers aurait été de toute éternité dans une phase de contraction, il aurait rebondi une fois et se trouverait aujourd’hui de toute éternité future dans une phase d’expansion. Mais il se peut également qu’un certain nombre de contractions est eu lieu et qu’il y ai eu plusieurs rebonds successifs. Cela nous le savons pas.
Vous avez peut-être remarqué que lorsque l’on explique ce modèle, parfois les gens disent « C’est quand même incroyable, comment l’Univers pourrait-il ne pas avoir eu un début ? » Je ne suis absolument pas d’accord avec ça, ce qui est incroyable c’est que l’Univers est eu un début ! Ce qui est très dur à penser du point de vue presque métaphysique comme transition du « non-étant » à « l’étant » c’est le fait qu’il y ai eu un commencement. Le fait que l’Univers en tant que contenant, en tant qu’espace-temps soit éternel est non-seulement métaphysiquement plus cohérent et incontestablement mathématiquement plus satisfaisant.
Est-ce que c’est vrai ? Je n’en sais rien. Je ne sais pas car ce qui manque au-delà de la cohérence du modèle ce sont des indications observationnelles ou expérimentales. C’est exactement le travail premier des physiciens quantiques aujourd’hui, ils essayent de trouver des observables cosmologique qui laissent transparaître des petites empreintes de cet éventuel rebond voire de ce qui ce serait passé avant le rebond.
C’est un peu difficile à faire, car évidemment ce ne sont pas des choses simples. Néanmoins il y a un certain nombre de pistes, on sait par exemple que la structure causale d’un Univers qui a subi un rebond n’est pas exactement la même que celle d’un Univers qui n’en a pas subi. Par conséquent, la manière dont les fluctuations, c’est-à-dire les petites perturbations d’origines quantique, qui sont à l’origine de la formation des grandes structures dans l’Univers, qui sont à l’origine des galaxies, la manière dont ces fluctuations vont se répartir en fonction de leur taille dans un modèle sans rebond disons cosmologie standard de type relativité générale, ou dans un modèle avec rebond de type, par exemple et entre autres, gravité quantique à boucles ne sera pas la même donc ce que l’on tente d’étudier ce sont les conséquences, aujourd’hui observées par exemple par le satellite Planck, qu’auraient ces modèles de rebond sur la répartition des différentes fluctuations dans l’Univers en fonction de leur taille. Il y a des espoirs que nous puissions enfin tester ces choses mais nous ne sommes pas encore parvenus à trouver une observable qui soit absolument non ambigu.
Récemment par exemple, peut-être que des ondes gravitationnelles auraient pu traverser le Big Bounce et soient encore détectables dans l’Univers contemporain signant des phénomènes qui auraient pu avoir lieu dans la phase de contraction. C’est beaucoup trop tôt pour savoir si ces suggestions nous mèneront quelque part, vraisemblablement comme la plupart des idées échevelées elles ne mèneront nulle part mais elles méritent d’exister et de tenter de faire aujourd’hui entrer dans le giron de la science expérimentale les idées fondamentales de la gravité quantique qui sont directement liées aux manières de répondre à la question de l’avant Big Bang.
Donc en résumé, si je prends la théorie que je connais, que je contrôle et que j’aime, la relativité générale, la réponse est : il n’y a pas d’avant Big Bang. Avant le Big Bang n’existe pas car le temps apparaît au moment du Big Bang et c’est une réponse qui est acceptable. Cependant cette réponse émane d’une théorie qui est vraisemblablement incorrecte dans ce régime, il me faut donc recourir à une théorie de gravitation quantique. Le problème est qu’aujourd’hui nous n’avons pas de théorie de gravitation quantique qui soit bien comprise, bien testée et suffisamment validée par des prédictions expérimentales. La réponse ne peut donc être que spéculative et incertaine, dans ce cadre, une des réponses possibles qui est suggérée par la gravitation quantique à boucles c’est l’existence d’une phase de contraction de l’Univers suivi d’un rebond et de la phase d’expansion aujourd’hui observée. Ce rebond est extraordinairement puissant, il va essentiellement détruire tous les éventuels objets qui auraient existé dans la phase le précédent mais quelques structures physiques très faiblement couplées comme les ondes gravitationnelles pourraient éventuellement, avec des guillemets, avec des points d’interrogation, traverser le rebond et être encore aujourd’hui observables soit sous la forme de perturbations dans l’Univers primordial qui auraient laissé des empreintes dans le fond diffus cosmologique soit sous la forme d’ondes gravitationnelles directement observables par les interféromètres.
Ce sont des interrogations très fondamentales, c’est une histoire qui est loin d’être achevée mais je pense (j’espère) avoir dit où nous en sommes aujourd’hui pour répondre à la question « Qu’y avait-il avant le Big Bang ? ».
Je ne suis absolument pas physicien, je n’étudie ni ne travail dans ce domaine, il y a probablement des centaines d’erreurs dans ce récit et je vous encourage à me corriger si besoin, j’éditerais au-fur-et-à-mesure.
Bonne soirée.
Fichiers joints
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