Et si l’univers n’avait pas de commencement ?

Au début, il y avait… eh bien, peut-être qu’il n’y avait pas de début. Peut-être que notre univers a toujours existé – et une nouvelle théorie de la gravité quantique révèle comment cela pourrait fonctionner.

« La réalité a tellement de choses que la plupart des gens associeraient à la science-fiction ou même à la fantaisie », a déclaré Bruno Bento, un physicien qui étudie la nature du temps à l’Université de Liverpool au Royaume-Uni.

Dans son travail, il a utilisé une nouvelle théorie de la gravité quantique, appelée théorie causale des ensembles, dans laquelle l’espace et le temps sont décomposés en morceaux discrets d’espace-temps. À un certain niveau, il y a une unité fondamentale d’ espace-temps , selon cette théorie.

Bento et ses collaborateurs ont utilisé cette approche causale pour explorer le début de l’univers. Ils ont découvert qu’il est possible que l’univers n’ait pas eu de commencement — qu’il ait toujours existé dans le passé infini et n’ait évolué que récemment vers ce que nous appelons le Big Bang .

Un quantum de gravité

La gravité quantique est peut-être le problème le plus frustrant auquel est confrontée la physique moderne. Nous avons deux théories extraordinairement efficaces de l’univers : la physique quantique et la relativité générale . La physique quantique a produit une description réussie de trois des quatre forces fondamentales de la nature ( l’électromagnétisme , la force faible et la force forte) jusqu’à des échelles microscopiques. La relativité générale, en revanche, est la description la plus puissante et la plus complète de la gravité jamais conçue.

Mais malgré toutes ses forces, la relativité générale est incomplète. Dans au moins deux endroits spécifiques de l’univers, les mathématiques de la relativité générale échouent simplement, sans produire de résultats fiables : au centre des trous noirs et au début de l’univers. Ces régions sont appelées « singularités », qui sont des points dans l’espace-temps où nos lois actuelles de la physique s’effondrent, et ce sont des signes mathématiques d’avertissement que la théorie de la relativité générale trébuche sur elle-même. Au sein de ces deux singularités, la gravité devient incroyablement forte à de très petites échelles de longueur.

Ainsi, pour résoudre les mystères des singularités, les physiciens ont besoin d’une description microscopique de la gravité forte, également appelée théorie quantique de la gravité. Il y a beaucoup de concurrents, y compris la théorie des cordes et la gravité quantique en boucle .

Et il existe une autre approche qui réécrit complètement notre compréhension de l’espace et du temps.

Théorie des ensembles causaux

Dans toutes les théories physiques actuelles, l’espace et le temps sont continus. Ils forment un tissu lisse qui sous-tend toute la réalité. Dans un tel espace-temps continu, deux points peuvent être aussi proches l’un de l’autre que possible dans l’espace, et deux événements peuvent se produire aussi près l’un de l’autre que possible dans le temps.

« La réalité a tellement de choses que la plupart des gens associeraient à la science-fiction ou même à la fantaisie. »

Mais une autre approche, appelée théorie causale des ensembles, réinvente l’espace-temps comme une série de morceaux discrets, ou « atomes » d’espace-temps. Cette théorie imposerait des limites strictes à la proximité des événements dans l’espace et dans le temps, car ils ne peuvent pas être plus proches que la taille de «l’atome».

Par exemple, si vous regardez votre écran en train de lire ceci, tout semble fluide et continu. Mais si vous deviez regarder le même écran à travers une loupe, vous pourriez voir les pixels qui divisent l’espace, et vous constateriez qu’il est impossible de rapprocher deux images sur votre écran d’un seul pixel.

Cette théorie de la physique a excité Bento. « J’étais ravi de découvrir cette théorie, qui non seulement essaie d’aller aussi loin que possible – étant une approche de la gravité quantique et repensant en fait la notion d’espace-temps elle-même – mais qui donne également un rôle central au temps et à ce qu’il fait physiquement. signifie que le temps passe, à quel point votre passé est physique et si le futur existe déjà ou non », a déclaré Bento à Live Science.

L’espace-temps est composé de morceaux discrets ou « atomes » d’espace-temps, semblables aux pixels d’une image informatique.

La nuit des temps

La théorie des ensembles causaux a des implications importantes sur la nature du temps.

« Une grande partie de la philosophie de l’ensemble causal est que le passage du temps est quelque chose de physique, qu’il ne devrait pas être attribué à une sorte d’illusion émergente ou à quelque chose qui se passe à l’intérieur de notre cerveau qui nous fait penser que le temps passe ; ce qui passe est, en soi, une manifestation de la théorie physique », a déclaré Bento. « Ainsi, dans la théorie des ensembles causaux, un ensemble causal grandira d’un » atome « à la fois et deviendra de plus en plus gros. »

L’approche de l’ensemble causal élimine parfaitement le problème de la singularité du Big Bang car, dans la théorie, les singularités ne peuvent pas exister. Il est impossible pour la matière de se comprimer en points infiniment petits – ils ne peuvent pas être plus petits que la taille d’un atome d’espace-temps.

Alors sans singularité Big Bang, à quoi ressemble le début de notre univers ? C’est là que Bento et son collaborateur, Stav Zalel, étudiant diplômé de l’Imperial College de Londres, ont repris le fil, explorant ce que la théorie causale des ensembles a à dire sur les premiers instants de l’univers. Leur travail apparaît dans un article publié le 24 septembre dans la base de données de préimpression arXiv . (L’article n’a pas encore été publié dans une revue scientifique à comité de lecture.)

Le document a examiné « si un début doit exister dans l’approche de l’ensemble causal », a déclaré Bento. « Dans la formulation et la dynamique originales de l’ensemble causal, classiquement parlant, un ensemble causal se développe à partir de rien dans l’univers que nous voyons aujourd’hui. Dans notre travail, il n’y aurait pas de Big Bang comme début, car l’ensemble causal serait infini jusqu’au passé, et donc il y a toujours quelque chose avant. »

Leur travail implique que l’univers n’a peut-être pas eu de commencement – qu’il a simplement toujours existé. Ce que nous percevons comme le Big Bang n’a peut-être été qu’un moment particulier dans l’évolution de cet ensemble causal toujours existant, et non un véritable début.

Il reste cependant beaucoup de travail à faire. Il n’est pas encore clair si cette approche causale sans début peut permettre des théories physiques avec lesquelles nous pouvons travailler pour décrire l’évolution complexe de l’univers pendant le Big Bang.

« On peut encore se demander si cette [approche de l’ensemble causal] peut être interprétée de manière » raisonnable « , ou ce que signifie physiquement une telle dynamique dans un sens plus large, mais nous avons montré qu’un cadre est en effet possible », a déclaré Bento. « Donc, au moins mathématiquement, cela peut être fait. »

En d’autres termes, c’est… un début.

Paul M. Sutter – Professeur-chercheur en astrophysique à la SUNY Stony Brook University et au Flatiron Institute de New York