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La cosmologie quantique

Illustration d'un univers quantique "millefeuille" se matérialisant à partir des instabilités de l'écume quantique. Document T.Lombry.

Les instabilités du vide (II)

L'Univers actuel représente-t-il bien l'Univers avec un grand "U", dans toute sa globalité ? Si le principe cosmologique - homogénéité et isotropie - est une bonne hypothèse de travail, car la plus simple pour comprendre l'évolution de l'Univers même si on sait qu'elle est inexacte, on peut alors considérer que sa densité moyenne est uniforme.

Aujourd'hui l'Univers est constitué de galaxies qui sont regroupées en amas et superamas, entourées d'énormes vides intergalactiques ainsi que nous l’ont démontré les images de la distribution des galaxies réalisées par P.Peebles, M.Geller ou J.Huchra dans le cadre du programme SDSS. Ces galaxies se sont formées durant la phase gazeuse (stellaire), quelques centaines de millions d'années après le découplage matière/rayonnement, à une époque où les fluctuations de la densité d'énergie contenue dans l'Univers étaient en faveur de la matière plutôt que de la pression destructrice du rayonnement.

L'anisotropie du rayonnement cosmologique à 2.7 K découverte par le satellite COBE a conduit les astronomes à étudier l'origine de ces fluctuations primordiales pour tenter de savoir comment certaines régions de l'Univers ont progressivement quitté leur état "stable" pour s'attirer mutuellement et donner la structure actuelle de l'Univers.

En 1970, le physicien américain Edward Tryon (1940-2019) alors à l'Université de Columbia s'était déjà demandé si à l'origine, l'Univers ne serait pas né d'une fluctuation du vide quantique ? A l'époque sa réflexion déclencha la risée de ses coéquipiers. Pourtant Tryon ne plaisantait pas. Quelques années plus tard, alors qu'il était au Hunter College de l'Université de New York (CUNY), il reposa sérieusement la question dans un article qu'il soumit aux "Physical Review Letters", mais le comité de lecture le rejeta. Tryon le soumit alors à la revue "Nature" en 1973. Le rédacteur en chef de la revue ne s'est pas contenté de l'accepter, mais décida d'en faire un article de fond.

Tryon partit de l'idée que l'énergie totale de l'Univers actuel équilibre approximativement son potentiel gravitationnel, plusieurs expériences apportant des indices selon lesquels la densité de l'Univers est proche de l'unité. Nous pouvons donc dire que l'énergie nette de l'Univers est nulle. Dans ces conditions pensa Tryon, dans un Univers fermé, une fluctuation quantique du vide peut déclencher un Big Bang sans violer la loi de la conservation de l'énergie.

Mais à l'époque, sa théorie était trop audacieuse et aucun physicien n'y croyait. A 33 ans, Tryon défendait une idée qui paraissait surréaliste à ses confrères. En effet, comment pouvaient-ils imaginer que notre immense Univers serait né d'une minuscule particule virtuelle qui aurait émergé spontanément de rien en vertu des lois de la physique ? De plus, vu que sa théorie supportait le modèle du Big Bang, cela signifiait qu'il soutenait également que cette minuscule particule virtuelle est devenue d'une manière ou d'une autre notre Univers actuel. Enfin, Tryon avançait également l'argument que "le plus simple et le plus attrayant imaginable" des modèles du Big Bang pouvait être compris dans "le cadre de la science conventionnelle".

Rétrospectivement, Tryon pensait qu'il avait deux obstacles majeurs à surmonter avant que son modèle "certes spéculatif" de notre Univers puisse même être considéré comme plausible. Comment quelque chose peut-il venir de rien, et même si cela était possible, comment cela fonctionnerait-il ? Par quelle méthode notre Univers pourrait-il "apparaître de nulle part" ? Il fallait donc d'abord traiter le problème de la façon dont il était possible que quelque chose puisse naître de rien, puis la façon dont cela pourrait réellement se produire.

A lire : Why Isn't Edward P. Tryon A World-famous Physicist?, The Huffington Post, 2017

Les physiciens de l'époque connaissaient pourtant indirectement la réponse. Ils savaient tous que la loi de conservation de l'énergie stipule que dans un système isolé, rien ne se perd rien ne se crée. Mais les relations d'incertitudes de Heisenberg stipulent que si l'énergie ΔE est "empruntée" au vide, elle doit la restituer au bout d'un temps Δt tel que ΔEΔt ≥ h. Plus la quantité d'énergie est généreuse, plus rapide doit être la restitution au vide. Ainsi, en libérant au moins 1022 keV au travers de rayons gamma très pénétrants, pendant une fraction de seconde on peut matérialiser une paire d'électron-positron (cf. les particules virtuelles). Oui, de l'énergie permet de créer de la matière... mais l'inverse l'est tout autant, rappelez-vous l'équation d'équivalence d'Einstein et l'effet des bombes atomiques.

Les particules plus massives demandent encore plus d'énergie et sont d'autant plus éphémères. C'est la raison pour laquelle le photon, sans masse de repos se propage à l'infini[2].

Alan Guth en 2014. Document Kavli Foundation.

Mais pour les physiciens de l'époque, créer tout un Univers à partir d'une fluctuation quantique était inconcevable et sa théorie fut rejetée. Ceci explique pourquoi Tryon n'est jamais devenu aussi célèbre que certains de ses confrères alors que sur le fond il avait mis le doigt sur la solution...

Il faudra attendre janvier 1980 pour qu'un jeune physicien américain nommé Alan Guth propose une théorie scientifique géniale que d'aucuns trouvèrent bizarre : la théorie de l'inflation. Elle seule pouvait résoudre bon nombre de problèmes restés en suspens dont la densité actuelle de l'Univers, le fait que la courbure de l'Univers soit absolument nulle, sa densité Ω = 1, mais également la disparition des monopôles ou des gravitons.

Dix ans plus tard, à travers la théorie du Big Bang inflationnaire, nous avons vu comment sa théorie alliée à la détente du "faux vide" acquis ses lettres de noblesse, renforcée en 2013 par la découverte du boson de Higgs, la particule emblématique des champs scalaires (non orientés, semblables au potentiel d'une pile).

A la même époque Andrei Linde proposa un modèle légèrement différent où, pour des raisons de cohérence, l'Univers s'était formé non pas dans un milieu isotrope mais suite à des fluctuations chaotiques de champs scalaires, l'inflaton, se rapprochant de l'idée exprimée par J-P.Vigier ou G.Ellis. A leurs yeux, il était indispensable de travailler avec un modèle le plus proche possible de la réalité. Car il est un fait que le modèle inflationnaire a été proposé pour résoudre le problème de l’homogénéité et de l'isotropie de l'Univers. A quoi bon disent-ils, travailler avec un modèle isotrope pour démontrer ce que l'on sait déjà !

Ainsi que nous l'avons vu, suivant l'idée de Tryon, ces physiciens postulèrent que même le vide pouvait fluctuer sur base du principe d'indétermination ; le vide est instable dit-il, continuellement des couples virtuels de quarks-antiquarks apparaissent, vivent environ 10-24 s et s'annihilent instantanément. Hawking conclut par une boutade : "L'Univers s'est formé à partir de rien parce que rien est instable".

Cette théorie qui donne des fluctuations quantiques au vide permet aussi les hypothèses les plus audacieuses. L'une d'elle affirme que notre univers n'est peut-être pas unique : ainsi que nous l’explique la physique quantique, si notre univers est né d'une fluctuation quantique, d'autres fluctuations locales de l'intensité du champ scalaire ont pu donner naissance à d'autres univers qui se présenteraient comme des appendices du grand Univers ou des bébés-univers indépendants. Le fait que notre univers existe ne serait lié qu'à un effet du hasard, une circonstance statistiquement plus probable que les autres.

A gauche, l'inflation de l'Univers est un concept quantique. Elle s'expliquerait en raison de l'amplitude de plus en plus grande des fluctuations d'énergie potentielle des champs scalaires (l'inflaton). Passé un certain seuil d'instabilité, l'expansion de l'Univers se serait déclenchée. A droite, l'un des modèles de multivers inflationnaire de Linde. Documents adaptés de A.Linde.

Cet Univers avec un grand "U" serait rempli de bulles, où chacune ignorerait la présence des autres bulles ou bébé-univers. Chaque habitant d’une bulle pourrait connaître ses origines en regardant derrière lui jusqu'à son Big Bang. Chacun penserait habiter le seul Univers surgi du néant, alors qu’il s’agit d’une bulle locale qui s'est reproduite, générant à son tour un deuxième Big Bang.

Compte tenu du confinement de la matière, selon Linde l'énergie des trous noirs est telle que le champ est soumis à des fluctuations qui relancent l'inflation et créent de nouvelles bulles-univers. Le grand Univers serait un véritable gruyère sidéral, les trous noirs et les trous de ver servant de liaison avec les autres univers. Si l'expansion d'une bulle cesse et commence à se contracter, elle redevient un trou noir qui donnera naissance à une autre bulle-univers en perdant la "mémoire" de son origine (à l'accumulation du rayonnement près). Voilà de beaux efforts d’imagination, mais il ne s’agit encore que de spéculations.

La théorie de l'Instanton de Hawking-Turok

A côté des modèles inflationnaires d'Alan Guth et d'Andrei Linde qui décrivent un univers plat et ouvert (par simplicité), il existe un modèle inflationnaire alternatif proposé par Hartle et Hawking. Il s'agit d'un univers fermé, impliquant qu'un jour ou l'autre l'expansion s'arrêtera et l'Univers s'effondrera sous l'effet de sa propre gravité dans un Big Crunch.

Ainsi que nous l'avons expliqué à propos de la structure de l'Univers, les observations tendent à prouver que la matière contenue dans l'univers est insuffisante pour provoquer son effondrement à long terme. Aussi, en 1995 Neil Turok qui travaillait en collaboration avec Martin Bucher et Alfred Goldhaber proposa devant les chercheurs de l'Université de Cambridge une solution dans laquelle l'univers inflationnaire était ouvert. "A l'image d'une bulle d'eau bouillante qui gonfle explique Turok, la bulle quantique qui donna naissance à notre univers contenait en elle-même tout le futur de la bulle. Etant donné que la bulle deviendra infiniment étendue dans le futur, la taille de l'univers actuel est aujourd'hui infini."

Bien que Turok ne puisse pas expliquer ce qui s'est produit avant l'inflation, son modèle intéressa Hawking. De leur collaboration naquit la théorie de l'Instanton de Hawking-Turok. Leur modèle suggère que l'Univers s'est créé spontanément à partir de rien, plus exactement de minuscules particules baptisées "instanton" soumises à un phénomène inflationnaire. Les Anglo-saxons ont surnommé ces nouvelles particules les "pois" (pea), surnom qui est aujourd'hui popularisé.

Un instanton est un phénomène quantique plus exotique que tout ce que vous pouvez imaginer. C'est une particule théorique correspondant à une sorte de "torsion de la matière et de l'espace-temps". Son nom suggère par ailleurs qu'elle ne vit qu'un instant. Cette particule est bien sûr beaucoup plus petite qu'un petit pois mais sa densité extrêmement élevée représente selon les physiciens une masse à peu près équivalente à celle d'un petit pois ! La principale propriété de cet instanton est de se transformer de lui-même en un univers ouvert, inflationnaire...

Le modèle d'Univers de Hawking-Turok

Imaginons l'espace-temps comme un cône dont la base forme une pointe qui est dirigée vers le bas (à gauche). Le temps s'écoule vers le haut pendant que l'espace s'étend autour de la largeur du cône. Les deux composantes se réunissent sur la pointe qui est une singularité. Au sommet du cône les équations mathématiques qui définissent les lois de la physique s'évanouissent et n'ont plus cours. Pour résoudre cette difficulté, arrondissons le sommet du cône en le remplaçant par un instanton arrondi (à droite). Etant donné que la base du cône est devenue horizontale, la différence entre l'espace et le temps diminue et prend graduellement les propriétés de l'espace; la direction du temps suit la même direction que l'espace. Toutefois, l'espace se contracte en un point et fini par disparaître. La caractéristique importante de ce modèle est qu'il permet aux équations définissant les lois de la nature de conserver leur validité au sommet du cône arrondi, à l'instant de la création de l'Univers, non pas à l'échelle de Planck mais au temps t=0. Le théorème de "l'univers sans bord" est une variante complexe de ce modèle. Dessins de Jack T.Wong adaptés par l'auteur.

Turok nous donne une autre image de la théorie Hawking-Turok : "Imaginez dit-il, l'inflation comme étant la dynamite qui a produit le Big Bang. Notre instanton est une sorte de fusible automatique qui déclenche l'inflation. Pour obtenir notre instanton, nous devons réunir la gravité, la matière, l'espace et le temps. Retirez un ingrédient, et notre instanton n'existe plus. Mais si vous disposez d'un instanton, il se transformera instantanément en un univers inflationnaire, infini."

Dans son principe, l'idée présentée par Hawking et Turok consiste à dire que l'Univers est virtuellement né de rien et que l'instanton consiste en un minuscule objet créant et contenant à la fois sa propre gravité et son propre espace-temps, mais il n'existe rien "avant" l'instanton. Hawking et Turok pensent que l'existence de cet objet hypothétique et la suite des actions qui en découle ont produit le Big Bang - s'il y en a eu un - et l'univers dans le lequel nous vivons aujourd'hui.

L'explosion quantique de l'Univers d'un point de vue probabiliste selon Andrei Linde.

Que penser de cette théorie ? En août 2001, j'ai eu l'occasion de discuter avec Andrei Linde de la théorie de l'Instanton. Avec le recul, son expérience et son bagage de physicien il résume toute la situation en quelques mots : "Aucune bonne physique ne semble s'appliquer au pois de l'Instanton; c'est plus une de ces histoires médiatiques qu'un réel succès de la physique. Hawking et Turok par exemple prédisent que l'Univers doit avoir une densité Ω = 0.01, alors que des expériences récentes montrent que Ω = 1, juste comme la théorie inflationnaire le prédit". C'est tout dire. Et de fait dans son livre "L'Univers dans une coquille de noix" (2001), Stephen Hawking n'y fait plus référence mais développe son théorème de "l'univers sans bord" sur lequel nous reviendrons.

La plupart des physiciens considèrent que les modèles de cette classe ont des mérites mais également des défauts.  La théorie de Hawking-Turok suggère que l'univers serait l'ultime don de dame Nature, "l'ultime repas gratuit" comme aiment le dire les physiciens. Mais il est une question qui demeure dans tous les esprits : quelle cause a donné naissance à l'instanton ? Comme le dirait Aristote, quel moteur l'a donc animé et lui a donné vie ?... Et soudainement il y eut un grand silence.

A défaut d'une force tangible, on peut invoquer un effet tunnel quantique spontané ou des dimensions excédentaires, des univers à 5 ou 11 dimensions dans lesquels tout aurait commencé. On en revient alors aux modèles proposés par Guth, Linde ou Hawking. Arrivé à ce point de l'Histoire, devant autant d'hypothèses et d'incertitudes, certains poussent un soupir de désespoir à l'idée de trouver un jour l'explication ultime là ou d'autres préfèrent se tourner pour un temps vers la religion. Mais les physiciens rationnels n'aiment pas ça et imaginent toujours qu'on découvrira un jour l'explication dans les équations.

Comme l'a écrit le physicien Jack T.Wong, "il se peut qu'un jour la théorie de Hawking-Turok ou n'importe quelle autre théorie inflationnaire soit confirmée, ou qu'une théorie entièrement nouvelle soit inventée pour expliquer correctement la création de l'univers et/ou ce qui s'est produit avant le Big Bang. Dans l'intervalle, la popularité croissante des théories cosmologiques et de la création nous assurent que de nombreux scientifiques travaillent à la découverte du secret qui se cache derrière la création de l'Univers."

Les trous de ver

Discutant de la topologie de l'univers et des distorsions de l'espace-temps, à partir des équations de la relativité générale, en 1935 Einstein et Rosen[3] découvraient que les singularités de l'espace-temps, ces solutions finales de l'effondrement de la matière, pouvaient former des "tunnels" dans l'espace-temps.

Au niveau quantique, l'espace-temps y présentant une courbure infinie et la matière étant décomposée en ses constituants les plus simples, il n’y avait plus qu’un pas infinitésimal à franchir pour soumettre cet environnement aux fluctuations d'énergie de la théorie de la gravité quantique.

Einstein et Rosen proposaient sérieusement que les singularités pouvaient mener à d'autres endroits de l'Univers. Ces connexions spatio-temporelles sont connues sous le nom de "ponts d'Einstein-Rosen". Mais ni l'un ni l'autre n'entrevoyait une possibilité d'entretenir ces connexions eu égard au caractère instable des fluctuations quantiques. Comme le disait John L. Friedman de l'Université de Californie à Santa Barbara, il s'agit d'une censure topologique.

Illustrations d'un trou de ver de Lorentz constitué de matière de masse négative (traversable dans les deux sens) stabilisé à l'échelle macroscopique. A gauche, une modélisation. Au centre, la surface qui délimite l'horizon des évènements. A droite, l'aspect d'un trou de ver proche de la Terre. Documents vchal/Shutterstock et T.Lombry.

En 1956, John Wheeler décrivit les propriétés de ces connexions et les baptisera "trous de ver", wormholes. Quelques années plus tard Hawking en collaboration avec Coleman de l’Université d'Harvard reprirent le concept de Wheeler et suggérèrent que l'espace-temps pouvait être soumis à l'effet tunnel précité, reprenant l'idée avancée par Everett. A l'instar des électrons qui peuvent sauter d'un point à l'autre de l'espace, l'Univers quantique ferait de même. L'effet tunnel créerait des ouvertures dans l'écume de l'espace-temps qui conduiraient à d'autres univers, des univers culs-de-sac ou tout aussi vastes que le nôtre.

Seule difficulté, cela se déroule à l'échelle de Planck et l'effet tunnel ne s'applique pas aux entités macroscopiques; impossible donc d'exploiter un trou de ver pour voyager dans d'autres univers.

Malgré ces contraintes a priori incontournables, cela n'a pas empêché les auteurs de science-fiction d'inventer des trous de ver confinés et stabilisés à l'échelle macroscopique pour relier toutes les mondes de la Galaxie entre eux ou pour voyager dans le temps. Parmi les séries TV les plus connues ayant exploré ce thème, citons la célèbre série "Stargate SG-1" et sa "Porte des Etoiles", "Deep Space 9" et "Sliders" mais également les séries "Terminator" et "Thor" parmi d'autres puisque ces personnages peuvent voyager instantanément à travers l'espace-temps.

Si ces entités exotiques vous passionnent, consultez l'article consacré aux trous de ver. Mais tout cela nous éloigne de la véritable physique quantique et de la recherche d'une théorie unifiée.

Prochain chapitre

La théorie des univers multiples

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[2] De façon générale, le boson qui véhicule la force entre les particules a une masse égale à /rc, où r représente sa portée sachant que la théorie d'Einstein stipule que r = ct.

[3] A.Einstein et N.Rosen, "The Particle problem in the General Theory of Relativity", Physical Review, 48, 1935, p73.


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