Comment le Big Bang a-t-il pu sortir de nulle part ?

La mort de la dernière étoile ne sera que le début d’un âge infiniment long et sombre. Toute la matière finira par être dévorée par de monstrueux trous noirs, qui s’évaporeront plus tard jusqu’à ce qu’ils soient réduits à de faibles éclairs de lumière. L’espace s’étendrait à l’infini jusqu’à ce que même ces faibles éclairs de lumière soient trop étendus pour interagir de quelque manière que ce soit. Il n’y aura aucune activité d’aucune sorte.

Ou peut-être oui ? Bien que cela semble assez étrange, certains cosmologistes pensent qu’il existait un univers sombre et vide, très similaire à celui qui le sera dans un futur lointain, qui aurait pu être à l’origine de notre propre big bang .

La matière première

Mais avant d’en arriver là, voyons comment cette « truc » (c’est-à-dire cette matière physique) est apparue pour la première fois. Si nous essayons d’expliquer l’origine de la matière stable composée d’atomes ou de molécules, il n’y a vraiment rien eu de tout cela pendant le big bang (ni pendant les centaines de milliers d’années qui ont suivi). La vérité est que nous avons 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 aussi comment ces atomes ont ensuite fusionné avec des éléments plus lourds au sein des étoiles. Mais cette connaissance ne répond pas à la question de savoir comment quelque chose pourrait sortir de rien.

Alors revenons un peu plus loin. Les premières particules de matière à longue durée de vie étaient des protons et des neutrons qui, une fois réunis, forment le noyau de l’atome. Ceux-ci sont apparus environ un dix millième de seconde après le big bang . Avant cela, il n’y avait vraiment aucun matériel dans aucun des sens habituels du terme. Mais la physique nous permet de remonter encore plus loin dans le temps, jusqu’aux processus physiques qui ont précédé l’existence de la matière stable.

Cela nous conduit à la soi-disant  » grande époque unifiée « , qui à son tour nous conduit pleinement dans le domaine de la physique spéculative, car dans nos expériences, nous ne pouvons pas générer suffisamment d’énergie pour reproduire le type de processus qui se déroulaient à cette époque. . Mais une hypothèse plausible est qu’à cette époque le monde physique était constitué d’un méli-mélo de particules élémentaires d’existence limitée, parmi lesquelles se trouvaient des quarks , c’est-à-dire les unités fondamentales qui composent les protons et les neutrons. Il y avait à la fois de la matière et de l’antimatière, et en quantités à peu près équivalentes . Chaque type de particule de matière, comme un quark, avait une contrepartie antimatière, une « image miroir » qui lui était pratiquement identique, ne différant que sur un point. Cependant, la matière et l’antimatière s’annihilent dans une explosion d’énergie lorsqu’elles se rencontrent, ce qui signifie que ces particules étaient constamment créées et détruites.

Mais comment ces particules ont-elles vu le jour ? La théorie quantique des champs nous dit que même un vide qui pourrait supposément correspondre à des valeurs d’espace-temps nulles est plein d’activité physique, et que cette activité se manifeste sous la forme de fluctuations énergétiques. Ces fluctuations peuvent provoquer l’apparition de particules, qui disparaissent cependant peu de temps après. Tout cela pourrait ressembler plus à de la folie mathématique qu’à de la physique réelle, mais de telles particules ont été détectées dans d’innombrables expériences.

L’état de vide de l’espace-temps est altéré par des particules qui sont constamment créées et détruites, et qui semblent « surgir de nulle part ». Mais peut-être que tout cela nous dit vraiment que le vide quantique, malgré son nom, est quelque chose plutôt que rien . Le philosophe David Albert est l’auteur d’une célèbre critique des approches du big bang qui, basée sur cette théorie, promet d’expliquer comment quelque chose a pu sortir de rien.

Imaginez que nous nous demandions d’où vient l’espace-temps. Dans ce cas, nous pourrions remonter encore plus loin, à « l’époque de Planck », très archaïque, une période si ancienne dans l’histoire de l’univers qu’elle défie nos meilleures théories physiques. Cette époque n’a duré qu’un dix-millionième de billionième de billionième de billionième de seconde après le big bang .. À ce stade, le temps et l’espace sont eux-mêmes devenus l’objet de fluctuations quantiques. Les physiciens travaillent généralement en dehors de la mécanique quantique, qui régit le micromonde des particules, et aussi de la relativité générale, qui s’applique aux grandes échelles cosmiques. Mais pour vraiment comprendre l’époque de Planck, nous aurions besoin d’une théorie unifiée de la gravité quantique qui fusionne les deux ensemble.

Nous n’avons toujours pas de théorie de la gravité quantique parfaite, mais il existe des propositions comme la théorie des cordes ou la gravité quantique en boucle . Dans ces propositions, le temps et l’espace ordinaires sont généralement conçus comme des éléments émergents, comme des vagues à la surface d’un océan profond. Et c’est que ce que nous ressentons comme espace et temps est le produit de processus quantiques qui opèrent à des niveaux microscopiques plus profonds ; processus qui n’ont pas beaucoup de sens pour nous, qui sommes des créatures installées dans le monde macroscopique.

À l’époque de Planck, nos connaissances ordinaires sur l’espace et le temps sont explosées, de sorte que nous ne pouvons plus appliquer la logique ordinaire des relations de cause à effet. Malgré cela, toutes les théories possibles du champ de gravité quantique soutiennent qu’il y avait une sorte de substance physique à l’époque de Planck ; une sorte de précurseur quantique de l’espace et du temps ordinaires. Mais d’où cela vient-il ?

Même si nous tenons compte du fait qu’à l’époque de Planck, la causalité ne fonctionnait d’aucune des manières habituelles, il aurait toujours été possible d’expliquer une composante de l’univers en termes de correspondance avec une autre. Malheureusement, aujourd’hui même nos meilleurs physiciens échouent totalement à nous fournir des réponses à cet égard ; Jusqu’à ce que nous fassions de nouveaux progrès vers une « théorie du tout », nous serons incapables d’offrir une réponse définitive. Le plus que nous puissions dire avec certitude à ce stade est que la physique n’a jusqu’à présent détecté aucun exemple confirmé de quelque chose sortant de rien.

Des cycles qui sortent presque de nulle part

Afin de vraiment répondre à la question de savoir comment quelque chose peut sortir de rien, nous aurions besoin d’être en mesure d’expliquer l’état quantique de l’univers dans son ensemble au début de l’époque de Planck. Toutes les tentatives pour accomplir cette tâche restent hautement spéculatives, et il y en a même certaines qui font appel à l’existence de forces surnaturelles en tant qu’architecte de l’univers . Mais il existe d’autres théories qui restent du domaine de la physique, comme le multivers (selon lequel il contiendrait un nombre infini d’univers parallèles) ou les modèles cycliques de l’univers (qui naîtraient et renaîtraient encore et encore) .

Roger Penrose , lauréat du prix Nobel de physique 2020, a proposé un modèle suggestif, mais aussi controversé, de l’univers cyclique appelé « cosmologie cyclique conforme ». Penrose s’est inspiré d’un lien mathématique intéressant entre un petit état très chaud, dense et de l’univers (comme c’était le cas lors du big bang ) et un état extrêmement froid, vide et étendu de l’univers (c’est comme ça qu’il sera dans un avenir lointain). . Sa théorie radicale pour expliquer cette correspondance est basée sur le fait que ces états sont devenus mathématiquement identiques lorsqu’ils ont atteint leurs limites respectives. Aussi paradoxal que cela puisse paraître, une absence totale de matière aurait pu provoquer la montée de toute la matière que nous voyons autour de nous aujourd’hui dans l’univers.

De ce point de vue, le big bang serait sorti presque de nulle part ; c’est ce qui serait resté après que toute la matière de l’univers ait été engloutie par des trous noirs qui se seraient ensuite évaporés, générant des photons qui erreraient dans le vide. De cette façon, l’univers tout entier aurait émergé de quelque chose qui, vu d’un autre point de vue physique, serait le plus proche possible du néant absolu. Mais ce rien serait encore quelque chose ; nous parlerions toujours d’un univers physique, même s’il était vide.

Mais comment est-il possible que le même état de l’univers soit froid et vide d’un point de vue et chaud et dense d’un autre ? La réponse réside dans une procédure mathématique complexe appelée « redimensionnement conforme », une transformation géométrique qui modifie la taille d’un objet, mais pas sa forme.

Penrose a montré comment l’état froid et dense d’une part et l’état chaud et dense d’autre part pouvaient être liés à travers ces redimensionnements de telle manière qu’ils pouvaient correspondre à travers les formes de leurs espaces-temps respectifs, mais pas de la même manière. manière leurs tailles. La vérité est qu’il est difficile de comprendre comment deux objets peuvent être identiques selon cette théorie lorsque leurs tailles sont 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 des explications va de vieux et froid à jeune et chaud : l’état dense et chaud existe parce qu’il en est de même pour le froid et le vide. Mais ce « parce que » n’a pas le sens habituel (celui d’une cause suivie dans le temps de son effet). Ce n’est pas seulement que la taille n’est plus pertinente dans ces états extrêmes ; c’est que le temps aussi cesse d’être. En fait, l’état froid et dense et l’état chaud et dense se situent sur des lignes de temps différentes. L’état froid et vide continuerait indéfiniment dans sa propre géométrie temporelle du point de vue d’un observateur, mais permettrait à l’état chaud et dense d’occuper une nouvelle chronologie.

En essayant de comprendre que l’état dense et chaud est le produit du froid et du vide, il peut être utile d’aborder la question d’une sorte de perspective non causale. Peut-être pourrions-nous dire que l’état chaud et dense provient de , ou est enraciné dans , ou découvert par , l’état vide et froid. Ce sont typiquement des idées métaphysiques qui ont été développées en profondeur par les philosophes des sciences , notamment dans le domaine de la gravité quantique , où la logique classique de cause à effet est brisée. Et c’est que, lorsqu’on atteint les limites de la connaissance, il est difficile de séparer la physique de la philosophie.

Preuves expérimentales ?

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 les théories de Penrose étaient validées par les développements futurs de la cosmologie, on pourrait penser que nous sommes toujours incapables de répondre à une question philosophique plus profonde ; la question de savoir d’où vient la réalité physique elle-même. C’est-à-dire la question de savoir comment fonctionne tout le système de cycles.

De cette façon, nous nous retrouvons confrontés à la dure question de savoir pourquoi il y a quelque chose au lieu de rien (ce qui, soit dit en passant, est l’une des grandes questions métaphysiques).

Mais ici, nous voulons nous concentrer sur des explications qui se limitent au domaine de la physique. Il y a trois grandes options sur la question fondamentale de savoir comment les cycles ont commencé. Il n’y a peut-être aucune explication physique. Ou il pourrait s’agir de cycles répétés à l’infini, dont chacun constituerait un univers à lui seul, dans lequel l’état quantique initial de chaque univers serait la conséquence d’une caractéristique de l’univers précédent. Ou il pourrait y avoir un seul cycle avec un seul univers se répétant, de sorte que le début du cycle expliquait d’une manière ou d’une autre sa propre fin. Les deux dernières options ne nécessitent pas de causalité spécifique, ce qui leur confère un attrait particulier. Et c’est que, de cette façon, rien ne serait exclu d’une explication purement physique.

Penrose a conçu une séquence infinie de nouveaux cycles entraînés par une série de raisons en partie liées à l’interprétation de la théorie quantique qu’il croyait être la plus précise. En mécanique quantique, un système physique existe dans une superposition de plusieurs états différents à la fois et n’en « choisit » qu’un au hasard lorsque nous le mesurons. Pour Penrose, chaque cycle implique des événements quantiques aléatoires qui se produisent de manière différente, ce qui signifie que chaque cycle sera différent à la fois du précédent et du suivant. C’est en fait une bonne nouvelle pour les physiciens expérimentateurs, car cela nous permettrait d’entrevoir l’ancien univers qui a donné naissance au nôtre à travers des traces floues, ou anomalies, dans le rayonnement résiduel généré par le big bang que le satellite Planck peut observer.

Penrose et ses collaborateurs pensent qu’ils ont peut-être déjà détecté ces traces dans les informations fournies par le satellite Planck sur le rayonnement émis par les trous noirs supermassifs d’un univers antérieur. Cependant, la validité de ces observations a été remise en cause par d’autres physiciens , nous restons donc sans certitude absolue.

La succession indéfinie de nouveaux cycles est fondamentale pour la théorie de Penrose. Mais en cosmologie cyclique conforme on peut passer naturellement d’un modèle à plusieurs cycles à un modèle à un seul cycle. Dans ce dernier cas, la réalité physique consisterait en un seul cycle du big bang à un état de vide maximum dans un futur lointain… Et puis ce même big bang se reproduirait, donnant naissance à un univers identique encore et encore. . .

Cette dernière possibilité est compatible avec une autre interprétation de la mécanique quantique, dite « interprétation des univers multiples ». Cela signifie que chaque fois que nous mesurons un système qui est dans une superposition, cette mesure ne sélectionne pas un état au hasard. Au lieu de cela, le résultat de la mesure que nous observons n’est qu’une possibilité (celle qui a lieu dans notre propre univers). Les autres résultats des mesures ont lieu dans d’autres univers du multivers, qui sont en effet complètement indépendants du nôtre. Par conséquent, peu importe la faible probabilité que quelque chose se produise, car si elle n’est pas nulle, cela se sera produit dans un autre des mondes parallèles quantiques. Il y a des gens comme vous qui ont gagné à la loterie,

Certaines personnes pensent que ces univers parallèles pourraient également être observables en termes de données cosmologiques, comme des empreintes causées par un autre univers entrant en collision avec le nôtre.

La théorie quantique des univers multiples peut apporter une nouvelle approche à la cosmologie cyclique conforme, mais pas celle avec laquelle Penrose est d’accord. Notre big bang aurait pu être la seconde naissance d’un seul multivers quantique contenant un nombre infini d’univers différents existant simultanément. Tout ce qui est possible finit par se produire (et cela se reproduirait encore, et encore, et encore).

Un ancien mythe

Pour un philosophe des sciences, la proposition de Penrose est fascinante. Elle ouvre de nouvelles possibilités d’explication du big bang car elle amène notre raisonnement au-delà de la logique habituelle de cause à effet. Nous parlons donc d’un excellent point de départ pour explorer les différentes manières dont la physique peut expliquer notre monde et qui mérite donc plus d’attention de la part des philosophes.

Pour un amateur de mythes, d’ailleurs, la proposition de Penrose est belle. Dans sa possibilité quantique préférée, celle des cycles continus, gît la promesse d’une série infinie de mondes nouveaux à naître des cendres de ses prédécesseurs. Et dans la possibilité du cycle unique, c’est un remaniement impressionnant de l’ancienne conception de l’ouroboros ou du monde du serpent. Dans la mythologie nordique, le serpent Jörmungandr est la fille de Loki, un escroc rusé, et du géant Angrboda. Jörmungandr dévore sa propre queue, et le cercle qu’il crée ainsi maintient l’équilibre du monde. Mais le mythe de l’ouroboros a été représenté par des cultures du monde entier, y compris certaines aussi archaïques que celle de l’Égypte ancienne.

L’ouroboros qui serait un univers cyclique unique est majestueux en soi. Dans son intestin, il contiendrait à la fois notre propre univers et le reste des univers possibles alternatifs troublants et merveilleux que la physique quantique envisage. Et le point où la tête rencontre la queue serait un vide absolu, mais en même temps un espace grouillant d’énergies à des températures de centaines de milliards de milliards de milliards de milliards de degrés Celsius. Même Loki le métamorphe serait impressionné.

Alastair Wilson

Professeur de philosophie, Université de Birmingham