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

Question d’un internaute : Je crois comprendre que rien ne vient de rien. Pour que quelque chose existe, il faut qu’il y ait du matériel ou un composant disponible, et pour qu’ils soient disponibles, il faut qu’il y ait autre chose de disponible. Maintenant, ma question est la suivante : d’où vient le matériau qui a donné naissance au Big Bang, et qu’est-ce qui s’est passé en premier lieu pour créer ce matériau ? Peter, 80 ans, Australie. »

« La disparition imminente de la dernière étoile marquera le début d’une ère où l’univers plongera dans le vide, dépourvu de lumière, de vie et de sens, comme l’a évoqué Brian Cox dans la récente série ‘Universe’ de la BBC. Cette disparition ne sera que le prélude à une ère sombre et infiniment longue. Toute la matière sera finalement engloutie par d’immenses trous noirs, qui à leur tour se dissiperont en de faibles lueurs de lumière. L’espace continuera de s’étendre indéfiniment jusqu’à ce que même cette faible lumière soit trop dispersée pour interagir. À ce stade, toute activité cessera.

Pourtant, certains cosmologistes envisagent qu’un univers futur, vide, sombre et froid, semblable à ce que pourrait devenir notre lointain avenir, pourrait être à l’origine de notre propre Big Bang. »

Avant d’explorer plus en profondeur cette question, intéressons-nous à l’origine de la « matière » physique telle que nous la connaissons. Au moment du Big Bang, et même pendant des centaines de milliers d’années après, il n’y avait rien de semblable à la matière stable composée d’atomes ou de molécules.

Nous comprenons aujourd’hui assez bien comment les premiers atomes ont émergé à partir de particules plus simples une fois que les conditions se sont suffisamment refroidies pour permettre la stabilité de la matière complexe. Par la suite, ces atomes ont été fusionnés au sein des étoiles pour former des éléments plus lourds. Cependant, cette compréhension ne répond pas à la question fondamentale de savoir si quelque chose peut naître véritablement à partir de rien.

Comment ces particules peuvent-elles exister ?

La théorie quantique des champs nous enseigne que même le vide, traditionnellement considéré comme un espace-temps vide, est en réalité rempli d’une activité physique sous forme de fluctuations énergétiques. Ces fluctuations peuvent générer des particules qui apparaissent brièvement avant de disparaître. Ce phénomène peut sembler étrange du point de vue mathématique, mais il est corroboré par de nombreuses expériences où de telles particules ont été observées.

Ainsi, l’état de vide de l’espace-temps n’est pas réellement vide, mais plutôt rempli de particules qui naissent et meurent continuellement, apparemment « à partir de rien ». Cela remet en question l’idée que le vide quantique représente littéralement le néant. Le philosophe David Albert a vivement critiqué les narrations du Big Bang qui impliquent la création de quelque chose à partir de rien.

Supposons que nous nous posions la question suivante : d’où vient l’espace-temps lui-même ?

En remontant encore plus loin dans le temps, nous atteignons l’époque Planck, une période extrêmement reculée de l’histoire de l’univers, se produisant à peine un dix millionième de billionième de billionième de billionième de seconde après le Big Bang. À ce stade, l’espace et le temps eux-mêmes étaient soumis à des fluctuations quantiques. Les physiciens travaillent généralement avec deux cadres distincts : la mécanique quantique, qui gouverne le monde microscopique des particules, et la relativité générale, qui décrit les échelles cosmiques. Cependant, pour véritablement comprendre l’époque de Planck, une théorie complète de la gravité quantique est nécessaire, capable d’unifier ces deux aspects.

Nous n’avons pas encore de théorie complètement établie de la gravité quantique, mais des tentatives existent, comme la théorie des cordes et la gravité quantique en boucles. Dans ces approches, l’espace et le temps ordinaires sont souvent considérés comme émergents, semblables aux vagues à la surface d’un océan profond. Ce que nous percevons comme l’espace et le temps résulte de processus quantiques opérant à un niveau microscopique plus fondamental – des processus qui peuvent sembler étranges pour nous en tant qu’êtres ancrés dans le monde macroscopique.

À l’époque de Planck, notre conception habituelle de l’espace et du temps devient inapplicable, nous privant ainsi de 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 produisait à l’époque de Planck : une version quantique précoce de l’espace et du temps que nous connaissons.

Mais d’où vient cette réalité ? Même si la causalité ne s’applique plus de manière conventionnelle, il reste possible d’expliquer une composante de l’univers de l’époque de Planck par une autre. Cependant, à ce jour, notre meilleure physique n’a pas encore fourni de réponse définitive. Tant que nous n’aurons pas avancé vers une « théorie du tout », aucune réponse concluante ne pourra être donnée. À ce stade, tout ce que nous pouvons affirmer avec certitude est que la physique n’a pas encore découvert de cas avéré où quelque chose naît véritablement à partir de rien.

Des cycles à partir de presque rien

Pour répondre à la question de savoir comment quelque chose pourrait émerger à partir de rien, il serait nécessaire d’expliquer l’état quantique complet de l’univers au début de l’époque de Planck. Toutes les tentatives en ce sens demeurent largement spéculatives. Certaines théories invoquent des forces surnaturelles, comme un concepteur, tandis que d’autres restent ancrées dans le domaine de la physique, telles que le multivers qui inclut une infinité d’univers parallèles, ou encore les modèles cycliques de l’univers, où il naît et renaît.

Roger Penrose, physicien lauréat du prix Nobel 2020, a avancé un modèle fascinant mais controversé d’un univers cyclique appelé « cosmologie cyclique conforme ». Penrose a été motivé par une relation mathématique intrigante entre un état initial très chaud et dense de l’univers – tel qu’il était au moment du Big Bang – et un état futur très froid, vide et expansé de l’univers. Selon sa théorie radicale, 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 observons dans notre univers environnant.

D’un point de vue particulier, le Big Bang émerge d’un quasi-rien.

C’est ce qui reste lorsque toute la matière d’un univers est absorbée par des trous noirs, qui finissent par se transformer en photons dispersés dans le vide. Ainsi, l’univers entier prend naissance à partir de quelque chose qui, vu sous un autre angle physique, est aussi proche que possible du néant absolu. Cependant, ce néant demeure encore une forme de réalité. C’est toujours un univers physique, même s’il est vide.

Comment un même état peut-il être vu comme un univers froid et vide d’un côté, et comme un univers chaud et dense de l’autre ? La réponse réside dans une technique mathématique complexe appelée « redimensionnement conforme », une transformation géométrique qui change la taille d’un objet tout en préservant sa forme.

Penrose a démontré comment l’état vide et froid et l’état dense et chaud peuvent être reliés par un tel redimensionnement, de manière à ce qu’ils correspondent en termes de la forme de leur espace-temps, bien que leurs tailles diffèrent. Comprendre comment deux objets peuvent être identiques de cette manière, malgré leurs dimensions différentes, est une notion difficile à saisir, mais Penrose argumente que la taille perd sa signification dans des environnements physiques aussi extrêmes.

Dans la cosmologie cyclique conforme, l’explication va du vieux et du froid au jeune et au chaud : l’état chaud et dense existe en raison de l’état froid et vide. Cependant, ce « en raison de » ne correspond pas à la causalité habituelle, où une cause précède dans le temps son effet. Dans ces états extrêmes, ce n’est pas seulement la dimension de la taille qui perd sa pertinence, mais aussi le temps lui-même. L’état froid et vide perdurerait éternellement dans sa propre géométrie temporelle, tandis que l’état chaud et dense qu’il engendre existe sur une nouvelle ligne temporelle qui lui est propre.

Cette perspective peut aider à comprendre comment l’état dense et chaud émerge de manière non causale à partir de l’état vide et froid. On pourrait dire que l’état chaud et dense émerge de, est enraciné dans, ou réalisé par l’état froid et vide. Ces idées sont typiquement métaphysiques et ont été largement explorées par les philosophes des sciences, surtout dans le contexte de la gravité quantique, où les notions ordinaires de cause et d’effet semblent se dissoudre. Aux frontières de nos connaissances, la physique et la philosophie deviennent intimement liées et difficiles à distinguer.

Des preuves expérimentales ?

La cosmologie cyclique conforme propose des réponses détaillées bien que spéculatives à l’origine de notre Big Bang. Cependant, même si la vision de Penrose était validée par les avancées futures en cosmologie, cela ne répondrait pas nécessairement à une question philosophique plus fondamentale : celle de l’origine de la réalité physique elle-même. Comment tout le système des cycles a-t-il commencé ? Cela nous ramène finalement à la question profonde de savoir pourquoi il y a quelque chose plutôt que rien – l’une des grandes questions de la métaphysique.

Nous nous concentrons ici sur des explications qui demeurent dans le domaine de la physique. Trois grandes options s’offrent à nous pour répondre à la question plus profonde de l’origine des cycles. La première possibilité est qu’il n’y ait aucune explication physique du tout. La deuxième est que les cycles se répètent indéfiniment, chaque cycle étant un univers complet dont l’état quantique initial est expliqué par une caractéristique de l’univers précédent. Enfin, la troisième possibilité est qu’il existe un seul cycle, un seul univers se répétant, où le début de ce cycle est expliqué par une caractéristique de sa propre fin. Ces deux dernières approches évitent le recours à des événements sans cause, ce qui les rend particulièrement attrayantes. Ainsi, rien ne serait laissé inexpliqué par la physique.

Penrose envisage une séquence infinie de nouveaux cycles, une idée en partie motivée par son interprétation personnelle de la théorie quantique. En mécanique quantique, un système physique existe dans une superposition de nombreux états différents simultanément, ne « choisissant » qu’un seul état de manière aléatoire lorsqu’il est mesuré. Pour Penrose, chaque cycle implique des événements quantiques aléatoires qui se déroulent de manière unique, rendant chaque cycle différent de ses prédécesseurs et successeurs. C’est une perspective intéressante pour les physiciens expérimentateurs, car cela pourrait potentiellement nous permettre de détecter d’anciens univers qui ont précédé le nôtre à travers de subtiles traces ou anomalies dans le rayonnement résiduel du Big Bang observé par le satellite Planck.

Penrose et ses collègues ont avancé l’hypothèse qu’ils ont peut-être déjà identifié de telles traces, attribuant certains modèles de données du satellite Planck à des signaux provenant de trous noirs supermassifs de l’univers précédent. Cependant, leurs conclusions ont été contestées par d’autres physiciens et la question reste en suspens.

Les cycles sans fin sont au cœur de la vision de Penrose. Cependant, il existe une manière naturelle de transformer une cosmologie cyclique conforme, avec plusieurs cycles, en une forme à un seul cycle. Selon cette perspective, la réalité physique consisterait en un seul voyage à travers le Big Bang jusqu’à un état de vide maximal dans un futur lointain, pour ensuite revenir au même Big Bang, donnant naissance à nouveau au même univers.

Cette dernière possibilité est en accord avec une autre interprétation de la mécanique quantique appelée l’interprétation des mondes multiples. Selon cette théorie, chaque fois que nous mesurons un système en superposition, notre mesure ne choisit pas simplement un état aléatoire. Au lieu de cela, le résultat que nous observons représente seulement une des possibilités parmi plusieurs qui se réalisent simultanément dans différents univers au sein d’un multivers. Ainsi, peu importe la probabilité d’un événement, s’il a une chance non nulle de se produire, il se produit dans l’un de ces mondes parallèles quantiques. Cela signifie qu’il existe d’autres versions de nous dans d’autres mondes où ils ont gagné à la loterie, ont été emportés par un typhon inhabituel, ou ont connu ces événements simultanément.

Certains chercheurs suggèrent que de tels univers parallèles pourraient laisser des empreintes observables dans les données cosmologiques, comme des signatures causées par la collision d’un autre univers avec le nôtre.

La théorie des mondes multiples offre une nouvelle perspective sur la cosmologie cyclique conforme, bien que Penrose ne soit pas en accord avec cette interprétation. Selon cette vision, notre Big Bang pourrait être interprété comme le renouveau d’un unique multivers quantique contenant une infinité d’univers différents qui coexistent simultanément. Toutes les possibilités sont réalisées, encore et encore.

Un mythe ancien

Pour un philosophe des sciences, la vision de Penrose est captivante. Elle ouvre de nouvelles perspectives pour expliquer le Big Bang, en poussant nos explications au-delà des simples causes et effets ordinaires. C’est un excellent terrain d’exploration pour voir comment la physique peut éclairer notre monde, méritant ainsi une attention accrue de la part des philosophes.

Pour un passionné de mythes, la vision de Penrose est véritablement inspirante. Dans sa forme préférée de multicycles, elle promet de nouveaux mondes sans fin émergeant des cendres de leurs prédécesseurs. Dans sa forme d’un seul cycle, elle représente une réinterprétation moderne et saisissante de l’ancienne idée de l’ouroboros, le serpent qui se mord la queue. Dans la mythologie nordique, le serpent Jörmungandr, fils de Loki et du géant Angrboda, incarne cet archétype. Il se nourrit de sa propre queue, formant ainsi un cercle qui maintient l’équilibre du monde. Le mythe de l’Ouroboros est documenté à travers le monde, remontant jusqu’à l’Égypte ancienne.

L’Ouroboros de l’univers cyclique unique est véritablement majestueux. Il englobe en son sein notre propre univers ainsi que toutes les possibilités infinies et étranges permises par la physique quantique. À l’endroit où sa tête rencontre sa queue, il est à la fois vide et rempli d’une énergie brûlante, à des températures atteignant cent milliards de milliards de milliards de milliards de degrés Celsius. Même Loki, le métamorphe, en serait impressionné.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lisez l’ article original .