Cosmologie : qu'est-ce qui existait avant le Big Bang ?

''Ma compréhension est que rien ne vient de rien. Pour que quelque chose existe, il doit y avoir du matériel ou un composant disponible, et pour qu'ils soient disponibles, il doit y avoir quelque chose d'autre disponible. D'où vient le matériel qui a créé le Big Bang, et que s'est-il passé en premier lieu pour créer ce matériel ?'' - se demande Peter, 80 ans, Australie.

"La dernière étoile va lentement se refroidir et disparaître. Avec son décès, l'Univers redeviendra un vide, sans lumière, sans vie ni sens." C'est ainsi qu'a prévenu le physicien Brian Cox dans la récente série de la BBC Universe .

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La décoloration de cette dernière étoile ne sera que le début d'une époque sombre et infiniment longue. Toute la matière finira par être consumée par des trous noirs monstrueux, qui à leur tour s'évaporeront dans les plus faibles lueurs de lumière. L'espace s'étendra toujours vers l'extérieur jusqu'à ce que même cette faible lumière devienne trop diffuse pour interagir. L'activité cessera.

Peut-être pas. Curieusement, certains cosmologues pensent qu'un univers vide sombre et froid comme celui qui se trouve dans notre futur lointain aurait pu être la source de notre propre Big Bang.

La première affaire

Mais avant d'en arriver là, examinons comment la « matière » - la matière physique - est apparue pour la première fois. Si nous cherchons à expliquer les origines de la matière stable constituée d'atomes ou de molécules, il n'y en a certainement pas eu lors du Big Bang, ni pendant des centaines de milliers d'années après. En fait, 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 comment 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 née de rien.

Alors réfléchissons plus en arrière. Les premières particules de matière à vie longue de toute sorte étaient des protons et des neutrons, qui forment ensemble le noyau atomique. Ceux-ci ont vu le jour environ un dix millième de seconde après le Big Bang. Avant ce point, il n'y avait vraiment aucune matière dans le sens familier du terme. Mais la physique nous permet de continuer à retracer la chronologie en arrière - jusqu'à des processus physiques antérieurs à toute matière stable.

Cela nous amène à la soi-disant « grande époque unifiée". A présent, nous sommes bien dans le domaine de la physique spéculative, car nous ne pouvons pas produire assez d'énergie dans nos expériences pour sonder le genre de processus qui se déroulaient à l'époque. Mais une hypothèse plausible est que le monde physique était composé d'une soupe de particules élémentaires à courte durée de vie, y compris les quarks, les éléments constitutifs des protons et des neutrons. Il y avait à la fois de la matière et de l'"antimatière" en quantités à peu près égales . Chaque type de particule de matière, comme le quark, a une antimatière compagnon « image miroir », qui est presque identique à lui-même, ne différant que par un aspect. Cependant, la matière et l'antimatière s'annihilent en 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 dit que même un vide, censé correspondre à un espace-temps vide, est plein d'activité physique sous forme de fluctuations d'énergie. Ces fluctuations peuvent donner lieu à des éclatements de particules, pour disparaître peu de temps après. Cela peut ressembler à une bizarrerie mathématique plutôt qu'à 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 constamment créées et détruites, apparemment "à partir de rien". Mais peut-être que tout 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 critiqué de façon mémorablerécits du Big Bang qui promettent de tirer quelque chose de rien de cette façon.

Supposons que nous demandions : d'où l'espace-temps lui-même est-il né ? Ensuite, nous pourrons continuer à remonter l'horloge encore plus loin, dans la véritable " époque de Planck " - une période si tôt dans l'histoire de l'Univers que nos meilleures théories de la physique s'effondrent. Cette ère s'est produite seulement 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 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, en fusionnant les deux.

Nous n'avons toujours pas de théorie parfaite de la gravité quantique, mais il existe des tentatives, comme la théorie des cordes et la 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 en tant qu'espace et temps est le produit de processus quantiques opérant à un niveau microscopique plus profond - des processus qui n'ont pas beaucoup de sens pour nous en tant que créatures enracinées dans le monde macroscopique.

Tout ce que nous pouvons dire avec certitude à ce stade, c'est que la physique n'a jusqu'à présent trouvé aucun exemple confirmé de quelque chose provenant de rien.

À l'époque de Planck, notre compréhension ordinaire de l'espace et du temps s'effondre, de sorte que nous ne pouvons plus non plus compter sur notre compréhension ordinaire de la cause et de l'effet. 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 d'où ça vient ?

Même si la causalité ne s'applique plus d'une manière ordinaire, il pourrait toujours être possible d'expliquer une composante de l'univers de l'époque de Planck en termes d'une autre. Malheureusement, à l'heure actuelle, même notre meilleure physique ne parvient pas à fournir de réponses. Tant que nous n'aurons pas avancé vers une "théorie du tout", nous ne pourrons pas donner de réponse définitive. Le plus que nous puissions dire avec certitude à ce stade est que la physique n'a jusqu'à présent trouvé aucun exemple confirmé de quelque chose provenant de rien.

Cycles à partir de presque rien

Pour vraiment répondre à la question de savoir comment quelque chose pourrait naître de rien, nous aurions besoin d'expliquer l'état quantique de l'Univers entier au début de l'époque de Planck. Toutes les tentatives en ce sens restent hautement spéculatives.. 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, naissant et renaître à nouveau.

Le physicien Roger Penrose, lauréat du prix Nobel 2020, a proposé un modèle intrigant mais controversé pour un univers cycliquesurnommé « cosmologie cyclique conforme ». Penrose a été inspiré par une connexion mathématique intéressante entre un état très chaud, dense et petit de l'Univers - comme il l'était au Big Bang - et un état extrêmement froid, vide et étendu de l'Univers - comme il le sera dans un futur lointain . Sa théorie radicale pour expliquer cette correspondance est que 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 faire naître toute la matière que nous voyons autour de nous dans notre Univers.

Dans cette optique, le Big Bang naît d'un presque rien. C'est ce qui reste lorsque toute la matière d'un univers a été consumée dans des trous noirs, qui ont à leur tour bouilli en photons - perdus dans le vide. L'univers tout entier naît ainsi de quelque chose qui - vu d'un autre point de vue physique - est aussi proche que l'on peut arriver à rien du tout. Mais ce rien est encore une sorte de quelque chose. C'est toujours un univers physique, pourtant vide.

Comment le même état peut-il être un univers froid et vide d'un point de vue et un univers dense et chaud d'un autre ? La réponse réside dans une procédure mathématique complexe appelée "remise à l'échelle conforme", une transformation géométrique qui modifie en effet 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 liés par une telle remise à l'échelle afin qu'ils correspondent aux formes de leurs espaces-temps - mais pas à leurs tailles. Certes, il est difficile de comprendre comment deux objets peuvent être identiques de cette manière lorsqu'ils ont des tailles 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, le sens de l'explication va de vieux et froid à jeune et chaud : l'état dense chaud existe à cause de l'état vide froid. Mais ce « parce que » n'est pas celui qui est familier - celui 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 aussi. L'état dense froid et l'état dense chaud sont en effet situés sur des chronologies différentes. L'état froid et vide se poursuivrait indéfiniment du point de vue d'un observateur dans sa propre géométrie temporelle, mais l'état chaud et dense qu'il engendre habite effectivement une nouvelle chronologie qui lui est propre.

Cela peut aider à comprendre l'état dense chaud produit à partir de l'état vide froid d'une manière non causale. Peut-être devrions-nous dire que l'état dense chaud émerge de , ou est enraciné dans , ou réalisé par l'état froid et vide. Ce sont des idées typiquement métaphysiques qui ont été largement explorées par les philosophes des sciences , 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, nous pourrions 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 est né tout le système des cycles ?

Ensuite, 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 des explications qui restent du domaine de la physique. Il y a trois grandes options à la question plus profonde de la façon dont les cycles ont commencé. Cela ne pouvait avoir aucune explication physique du tout. Ou il pourrait y avoir des cycles qui se répètent à l'infini, chacun étant un univers à part entière, avec l'état quantique initial de chaque univers expliqué par une caractéristique de l'univers avant. Ou il pourrait y avoir un seul cycle et un seul univers répétitif, avec le début de ce cycle expliqué par une caractéristique de sa propre fin. Les deux dernières approches évitent le besoin d'événements sans cause - et cela leur donne un attrait distinctif. Rien ne serait laissé inexpliqué par la physique.

Penrose envisage une séquence de nouveaux cycles sans fin pour des raisons en partie liées à sa propre interprétation préférée de la théorie quantique. En mécanique quantique, un système physique existe dans une superposition de nombreux états différents en même temps, et n'en "choisit qu'un" au hasard, lorsque nous le mesurons. Pour Penrose, chaque cycle implique des événements quantiques aléatoires qui se déroulent différemment, ce qui signifie que chaque cycle sera différent de ceux qui l'ont précédé et suivi. C'est en fait une bonne nouvelle pour les physiciens expérimentateurs, car cela pourrait nous permettre d'entrevoir l'ancien univers qui a donné naissance au nôtre à travers de faibles traces, ou anomalies, dans le rayonnement restant du Big Bang vu par le satellite Planck.

Penrose et ses collaborateurs pensent qu'ils ont peut-être déjà repéré ces traces, attribuant des modèles dans les données de Planck à rayonnement des trous noirs supermassifs dans l'univers précédent . Cependant, leurs observations revendiquées ont été contestées par d'autres physiciens et aucune conclusion définitive n'en a été tirée.

De nouveaux cycles sans fin sont la clé de la propre vision de Penrose. Mais il existe un moyen naturel de convertir la cosmologie cyclique conforme d'une forme à plusieurs cycles à une forme à un cycle. Ensuite, la réalité physique consiste en un seul cycle à travers le Big Bang jusqu'à un état de vide maximal dans un avenir lointain - puis à nouveau jusqu'au même Big Bang, donnant naissance au même univers à nouveau.

Cette dernière possibilité est cohérente avec une autre interprétation de la mécanique quantique, appelée interprétation des mondes multiples. L'interprétation des mondes multiples nous dit que chaque fois que nous mesurons un système qui est en superposition, cette mesure ne sélectionne pas un état au hasard. Au lieu de cela, le résultat de la mesure que nous voyons n'est qu'une possibilité - celle qui se joue dans notre propre univers. Les autres résultats de mesure se déroulent tous dans d'autres univers dans un multivers, effectivement coupé du nôtre. Ainsi, quelle que soit la faible probabilité que quelque chose se produise, s'il a une chance non nulle, cela se produit dans un monde quantique parallèle. Il y a des gens comme vous dans d'autres mondes qui ont gagné à la loterie, ou ont été emportés dans les nuages ​​par un typhon anormal, ou se sont spontanément enflammés, ou ont fait les trois simultanément.

Notre Big Bang pourrait être la renaissance d'un seul multivers quantique, contenant une infinité d'univers différents se produisant tous ensemble

Certaines personnes pensent que de tels univers parallèles peuvent également être observables dans les données cosmologiques, en tant qu'empreintes causées par la collision d'un autre univers 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 arrive - puis cela arrive encore et encore et encore.

Un mythe ancien

Pour un philosophe des sciences, la vision de Penrose est fascinante. Cela ouvre de nouvelles possibilités pour expliquer le Big Bang, en amenant nos explications au-delà des causes et des effets ordinaires. C'est donc un excellent cas test pour explorer les différentes manières dont la physique peut expliquer notre monde. Il mérite plus d'attention de la part des philosophes.

Pour un amoureux de la mythologie, la vision de Penrose est magnifique. Sous la forme multicycle préférée de Penrose, il promet de nouveaux mondes sans fin nés des cendres de leurs ancêtres. Dans sa forme à un cycle, c'est une ré-invocation moderne frappante de l'idée ancienne de l' ouroboros , ou du serpent du monde. Dans la mythologie nordique, le serpent Jörmungandr est un enfant de Loki, un filou intelligent, et du géant Angrboda. Jörmungandr consomme sa propre queue, et le cercle créé maintient l'équilibre du monde. Mais le mythe de l' ouroboros a été documenté dans le monde entier, y compris jusqu'à l'Égypte ancienne.

L'ouroboros de l'unique univers cyclique est vraiment majestueux. Il contient dans son ventre notre propre univers, ainsi que chacun des univers alternatifs possibles étranges et merveilleux permis par la physique quantique - et au point où sa tête rencontre sa queue, il est complètement vide mais aussi avec de l'énergie à des températures de cent milliards de milliards de milliards de degrés Celsius.

Même Loki, le métamorphe, serait impressionné.

* Alastair Wilson est professeur de philosophie à l'Université de Birmingham