L’évolution du cosmos après le Big Bang. Crédit : NASA
QUESTION D’UN LECTEUR : Ma compréhension est que rien ne vient de rien. Pour que quelque chose existe, il doit y avoir un matériau 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 la matière qui a créé le Big Banget que s’est-il passé en premier lieu pour créer cette matière ? Peter, 80 ans, Australie.
“La dernière étoile va lentement refroidir et s’éteindre. Avec sa disparition, l’univers redeviendra un vide, sans lumière, sans vie et sans signification.” C’est ce qu’a averti le physicien Brian Cox dans la récente série de la BBC. Universe. L’extinction de cette dernière étoile ne sera que le début d’une époque sombre et infiniment longue. Toute la matière finira par être consumée par de monstrueux trous noirs, qui s’évaporeront à leur tour dans les plus faibles lueurs de la lumière. L’espace s’étendra toujours plus loin jusqu’à ce que même cette faible lumière devienne trop dispersée pour interagir. L’activité cessera.
Ou bien le fera-t-elle ? Étrangement, certains cosmologistes pensent qu’un ancien univers vide, froid et sombre, comme celui qui se trouve dans notre futur lointain, aurait pu être la source de notre propre Big Bang.
La première matière
Mais avant d’en arriver là, examinons comment la “matière” – la matière physique – est apparue. Si nous cherchons à expliquer l’origine de la matière stable constituée d’atomes ou de molécules, il n’y en avait certainement pas au moment du Big Bang, ni pendant les centaines de milliers d’années qui ont suivi. 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 de la façon dont ces atomes ont ensuite été fusionnés en éléments plus lourds à l’intérieur des étoiles. Mais cette compréhension ne répond pas à la question de savoir si quelque chose est venu de rien.
Revenons donc en arrière. Les premières particules de matière à longue durée de vie, quelles qu’elles soient, sont les protons et les neutrons, qui constituent ensemble le noyau atomique. Ils sont apparus environ un dix millième de seconde après le Big Bang. Avant ce moment, il n’y avait pas vraiment de matière au sens habituel du terme. Mais la physique nous permet de continuer à remonter le temps jusqu’à des processus physiques antérieurs à toute matière stable.
Cela nous amène à ce que l’on appelle “grande époque unifiée.” À ce stade, 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 déroulait à l’époque. Mais une hypothèse plausible est que le monde physique était constitué d’une soupe de particules élémentaires à courte durée de vie – y compris des quarks, les éléments constitutifs des protons et des neutrons. Il y avait à la fois de la matière et de l'”antimatière” dans le monde physique. en quantités à peu près égalesChaque type de particule de matière, comme le quark, a une compagne antimatière “image miroir”, qui est presque identique à elle-même, ne différant que par un aspect. Cependant, la matière et l’antimatière s’annihilent dans un éclair d’énergie lorsqu’elles se rencontrent, ce qui signifie que ces particules ont été constamment créées et détruites.
Mais comment ces particules sont-elles arrivées à exister en premier lieu ? La théorie quantique des champs nous apprend que même un vide, censé correspondre à un espace-temps vide, est plein d’activité physique sous la forme de fluctuations d’énergie. Ces fluctuations peuvent donner lieu à l’apparition de particules, qui disparaissent peu après. Cela peut sembler être 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 qui sont constamment créées et détruites, apparemment “à partir de rien”. Mais peut-être tout ce que cela nous dit vraiment, c’est que le vide quantique est (malgré son nom) un quelque chose plutôt qu’un rien. Le philosophe David Albert a a critiqué de manière mémorable les récits du Big Bang qui promettent d’obtenir quelque chose à partir de rien de cette manière.
Simulation des fluctuations du vide quantique dans la chromodynamique quantique. Crédit : Wikimedia/Ahmed Neutron
Supposons que nous demandions : d’où est né l’espace-temps lui-même ? Nous pourrons alors remonter encore plus loin dans le temps, jusqu’à l’époque la plus ancienne. “Époque de Planck“une période si précoce de l’histoire de l’univers que nos meilleures théories de la physique s’effondrent. Cette époque s’est produite seulement un dix-millionième de trillionième de trillionième de trillionième de seconde après le Big Bang. À ce moment-là,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 aux grandes échelles cosmiques. Mais pour vraiment comprendre l’époque de Planck, nous avons besoin d’une théorie complète de la gravité quantique, qui fusionne les deux.
Nous n’avons toujours pas de théorie parfaite de la gravité quantique, mais il y a des tentatives – comme par exemple la théorie des cordes et gravité 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 expérimentons comme espace et temps est le produit de processus quantiques opérant à un niveau plus profond, microscopique – des processus qui n’ont pas beaucoup de sens pour nous, créatures ancrées dans le monde macroscopique.
À l’époque de Planck, notre compréhension ordinaire de l’espace et du temps s’effondre, et nous ne pouvons plus nous fier à notre compréhension ordinaire des causes et des effets. 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 où que vient-il ?
Même si la causalité ne s’applique plus de manière ordinaire, il est peut-être encore possible d’expliquer une composante de l’univers de l’époque de Planck par une autre. Malheureusement, à ce jour, même notre meilleure physique ne parvient pas à fournir de réponses. Tant que nous ne ferons pas de nouveaux progrès vers une “théorie du tout”, nous ne pourrons pas donner de réponse définitive. Tout ce que nous pouvons dire avec certitude à ce stade, c’est que la physique n’a jusqu’à présent trouvé aucun cas confirmé de quelque chose survenant à partir de rien.
Cycles à partir de presque rien
Pour répondre véritablement à la question de savoir comment quelque chose peut naître du néant, il faudrait expliquer l’état quantique de l’univers entier au début de l’époque de Planck. Toutes les tentatives en ce sens restent hautement spéculatives. Certaines d’entre elles font appel à des forces surnaturelles comme un concepteur. 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, qui naît et renaît à nouveau.
Le physicien lauréat du prix Nobel en 2020 Roger Penrose a proposé une théorie intrigante mais controversée. modèle d’univers cyclique appelé “cosmologie cyclique conforme”. Penrose s’est inspiré d’un lien mathématique intéressant entre un état très chaud, dense et petit de l’univers – tel qu’il était au moment du 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 portés à leurs limites. Aussi paradoxal que cela puisse paraître, une absence totale de matière pourrait avoir réussi à donner naissance à toute la matière que nous voyons autour de nous dans notre univers.
Dans cette optique, le Big Bang naît d’un presque rien. Il s’agit de ce qui reste lorsque toute la matière d’un univers a été consumée en trous noirs, qui se sont à leur tour transformés en photons – perdus dans le vide. L’univers entier naît donc de quelque chose qui, vu sous un autre angle physique, est aussi proche que possible du rien du tout. Mais ce rien est quand même 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 se trouve dans une procédure mathématique complexe appelée “remise à l’échelle conforme”, une transformation géométrique qui modifie en fait la taille d’un objet mais laisse sa forme inchangée.
Penrose a montré comment l’état dense froid et l’état dense chaud pouvaient être reliés par un tel changement d’échelle, de sorte qu’ils correspondent en ce qui concerne les formes de leurs espaces-temps, mais pas en ce qui concerne 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 affirme que la taille en tant que concept n’a plus de sens dans des environnements physiques aussi extrêmes.
Dans la cosmologie cyclique conforme, la direction de l’explication va de vieux et froid à jeune et chaud : l’état dense et chaud existe. à cause de l’état vide froid. Mais ce “parce que” n’est pas celui, familier, d’une cause suivie dans le temps de son effet. Ce n’est pas seulement la taille qui cesse d’être pertinente dans ces états extrêmes : le temps l’est aussi. L’état dense froid et l’état dense chaud se situent en effet sur des plans différents.lignes temporelles. L’état vide froid se poursuivrait éternellement du point de vue d’un observateur dans sa propre géométrie temporelle, mais l’état dense chaud auquel il donne naissance habite effectivement une nouvelle ligne temporelle qui lui est propre.
Il peut être utile de comprendre que l’état dense chaud 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 deou est fondé surou réalisé par l’état froid et vide. Il s’agit là d’idées métaphysiques distinctes qui ont été… explorées par les philosophes des sciences largement, 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.
Preuve expérimentale ?
La 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, on peut 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 ce système de cycles a-t-il vu le jour ? Puis 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 existe trois grandes options à la question plus profonde de savoir comment les cycles ont commencé. Il pourrait n’y avoir aucune explication physique du tout. Il pourrait y avoir des cycles qui se répètent sans fin, chacun étant un univers à part entière, l’état quantique initial de chaque univers étant expliqué par une caractéristique de l’univers précédent. Il pourrait aussi y avoir un seul cycle et un seul univers qui se répète, le début de ce cycle étant expliqué par une caractéristique de sa propre fin. Ces deux dernières approches évitent de recourir à des événements non provoqués, ce qui leur confère un attrait particulier. Rien ne serait laissé inexpliqué par la physique.
Cycles continus d’univers distincts dans la cosmologie cyclique conforme. Crédit : Roger Penrose
Penrose envisage une séquence de nouveaux cycles sans fin pour des raisons en partie liées à son 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 que des événements quantiques aléatoires se déroulent différemment, ce qui signifie que chaque cycle sera différent de ceux qui le précèdent et de ceux qui le suivent. Il s’agit en fait d’une bonne nouvelle pour les physiciens expérimentaux, car elle pourrait nous permettre d’entrevoir l’ancien univers qui a donné naissance au nôtre à travers de faibles traces, ou anomalies, dans le rayonnement résiduel du Big Bang observé par le satellite Planck.
Penrose et ses collaborateurs croient qu’ils ont peut-être repéré ces traces déjà, en attribuant les modèles dans les données de Planck au rayonnement des trous noirs supermassifs dans l’univers précédent. Cependant, leurs observations ont été contestées par d’autres physiciens et le jury n’a pas encore délibéré.
Carte du rayonnement de fond cosmique. ESA et la Collaboration Planck
Les nouveaux cycles sans fin sont la clé de la vision de Penrose. Mais il existe un moyen naturel de convertir la cosmologie cyclique conforme d’une forme à cycles multiples en une forme à cycle unique. Dans ce cas, la réalité physique consiste en un cycle unique qui passe par le Big Bang pour aboutir à un état de vide maximal dans un avenir lointain, puis revient au même Big Bang, donnant naissance au même univers, encore et encore.
Cette dernière possibilité est compatible avec une autre interprétation de la mécanique quantique, appelée l’interprétation des mondes multiples. Selon cette interprétation, chaque fois que nous mesurons un système en superposition, cette mesure ne choisit pas un état au hasard. Au contraire, le résultat de la mesure que nous voyons n’est qu’une possibilité, celle qui se produit dans notre propre univers. Les autres résultats de mesure se produisent tous dans d’autres univers d’un multivers, effectivement coupé du nôtre. Ainsi, quelle que soit la faible probabilité qu’une chose se produise, si elle a une chance non nulle, 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, qui ont été emportés dans les nuages par un typhon bizarre, qui se sont enflammés spontanément ou qui ont fait les trois simultanément.
Certaines personnes croient que de tels univers parallèles peuvent aussi êtreobservable dans les données cosmologiques, comme des 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, bien que Penrose ne soit pas d’accord avec elle. 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 se produit – puis cela se reproduit, encore et encore.
Un mythe ancien
Pour un philosophe des sciences, la vision de Penrose est fascinante. Elle ouvre de nouvelles possibilités pour expliquer le Big Bang, en portant nos explications au-delà des causes et effets ordinaires. Elle constitue donc un excellent test pour explorer les différentes façons dont la physique peut expliquer notre monde. Elle mérite une plus grande attention de la part des philosophes.
Pour un amoureux des mythes, la vision de Penrose est magnifique. Dans la forme multi-cycles préférée de Penrose, elle promet des mondes nouveaux et infinis nés des cendres de leurs ancêtres. Dans sa forme à un cycle, elle est une ré-invocation moderne frappante de l’idée ancienne de l’ouroboros, ou serpent mondial. Dans la mythologie nordique, le serpent Jörmungandr est l’enfant de Loki, un astucieux filou, et du géant Angrboda. Jörmungandr consomme sa propre queue, et le cercle ainsi créé maintient l’équilibre du monde. Mais le mythe de l’ouroboros a été documenté dans le monde entier – y compris aussi loin que l’Égypte ancienne.
Ouroboros sur la tombe de Toutânkhamon. Crédit : Djehouty/Wikimedia
L’ouroboros de l’univers cyclique unique est en effet majestueux. Il contient dans son ventre notre propre univers, ainsi que tous les univers alternatifs bizarres et merveilleux permis par la physique quantique – et au point où sa tête rejoint sa queue, il est complètement vide, mais aussi plein d’énergie à des températures de cent mille millions de milliards de milliards de degrés. Celsius. Même Loki, le métamorphe, serait impressionné.
Écrit par Alastair Wilson, professeur de philosophie, Université de Birmingham.
