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Qu'y avait-il Avant le Big Bang ?

Avant que les scientifiques ne se posent la question, il a d'abord fallu qu'ils prennent conscience que l'Univers a une histoire. Ce n'est qu'à partir de 1915 que la relativité générale leur a offert la possibilité théorique de décrire l'Univers dans son entier. Pour autant, l'idée d'un commencement ne s'impose qu'en 1920, alors qu'émerge la théorie du big bang. Il faudra attendre les années 1980 pour qu'apparaissent les premiers outils conceptuels capables d'envisager l'avant big bang.

Avant de s'interroger sur l'avant-big bang, les physiciens cherchent à s'approcher du temps zéro à l'aide de simulation dans des accélérateurs de particules (->).

Que s'est-il passé avant le début ? La question est loin d'être absurde ! Verrouillée par la théorie du big bang, qui interdit l'accès à t = 0, elle conduit malgré tout les théoriciens vers de fascinants scénarios.

L'immensité du cosmos contemplée sous un ciel nocturne suffit pour que la question de son origine nous étreigne telle la plus aiguë des interrogations existentielles. La plus universelle. Un jour, c'est certain, Aristote, Newton ou Einstein ont assisté au même spectacle en se posant la même question. Et chacun à sa manière a dû se sentir plongé dans le même vertige métaphysique. Las, à ce jour, il n'existe toujours aucun moyen de satisfaire pleinement cette ardente curiosité. Pourtant, la cosmologie contemporaine n'a-t-elle pas montré que les planètes, les étoiles et les galaxies, en un mot tout ce que compte l'Univers (jusqu'à nous-mêmes), provenaient d'un événement singulier, le big bang, qui se serait produit il y a 13,7 milliards d'années ? Soit, mais si notre Univers est apparu dans une gigantesque explosion, quelle en a été l'origine ? Autrement dit, qu'y avait-il avant le big bang ? Rien ? Un temps infini ? Les scientifiques ne le savent pas. Mais à cette question essentielle, ils commencent à apporter des bribes de réponse, et à imaginer des scénarios plus fascinants les uns que les autres. Même si aucun ne fait aujourd'hui consensus, ni n'a reçu la moindre once de confirmation expérimentale.
Après tout, comment blâmer l'absence de certitude des scientifiques, alors qu'il y a à peine 150 ans, le savant et philosophe Auguste Comte exhortait les siens à ne point parler de l'Univers, sous peine de confondre idéologie et connaissance ! Et quoi de plus normal puisque aucune théorie n'était alors capable de décrire mathématiquement le cosmos tout entier, et ce faisant d'adresser la question de son origine ! Celle-ci restait donc l'apanage exclusif des religieux et des métaphysiciens.
Mais la donne a changer depuis l'avènement de la théorie de la relativité générale en 1915. Celle-ci décrit la gravitation (soit la manière dont les objets s'attirent) comme une déformation de l'espace-temps par les masses pesantes. Le cosmos est enfin décrit par des équations, et l'on sait aujourd'hui que loin d'être éternellement statique et immobile, il évolue. On peut même dire qu'il s'étend à une vitesse prodipieuse. Mais paradoxalement, au lieu d'ouvrir à l'infini la question "et avant ?", la théorie du big bang l'a finalement verrouillée, interdisant tout retour mental à plus de 13,7 milliards d'années en arrière ! Car, à bien y regarder, la théorie du big bang indique que l'Univers, dans un lointain passé, était beaucoup plus petit, brûlant et dense qu'aujourd'hui. Situation à partir de laquelle il est possible de décrire son évolution jusqu'à notre époque. Mais de "l'instant initial" , et à plus forte raison de l'avant-big bang, elle ne dit rien. Plus précisément, si l'on extrapole les équations de la relativité générale jusqu'à "t = 0" , on constate que l'Univers présentait en théorie un volume nul, ainsi qu'une température et une densité infinies. Un phénomène bien décrit par les équations, mais qui n'a pas de réalité physique, et que l'on nomme "singularité". Or, comme l'explique Aurélien Barrau, au Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie, à Grenoble : "Le fait que toutes les grandeurs physiques tendent vers 0 ou l'infini n 'a probablement rien à voir avec une singularité physique réelle de l'espace-temps. C'est plutôt le signe de l'effondrement de la théorie qui entend le décrire". Et Pierre Binetruy, au Laboratoire astroparticules et cosmologie, à Paris, de renchérir : "On peut spéculer à l'infini sur le sens à donner à la singularité, mais ça n'a plus rien à voir avec de la physique".

LE BIG BANG : DU MYTHE AU LIEU COMMUN
En 1927, l'abbé et physicien Georges Lemaître évoque un Univers en expansion... Théorie confirmée par Hubble, qui découvre que les galaxies s'éloignent les unes des autres à une vitesse proportionnelle à leur distance. Fred Hoyle invente l'expression big bang pour dénigrer cette théorie, prônant celle de "l'état stationnaire".

En 1915, Albert Einstein publie sa théorie de la relativité générale. Avec elle, la force qui fait tomber les pommes et tourner les galaxies devient une manifestation de la déformation que la matière imprime à la trame de l'espace-temps, ce dernier dictant en retour son mouvement à la matière. Si bien qu'en principe, il suffit désormais de connaître la composition de l'Univers, pour en déduire la façon dont le cosmos, décrit mathématiquement par son armature spatio-temporelle, se courbe, se dilate ou se contracte. En un mot, évolue. Les outils conceptuels nécessaires à l'écriture de son histoire sont en place. Néanmoins, si les mythes cosmogoniques sont autant d'histoires à faire jaillir l'Univers d'un chaos primitif ou d'un souffle divin, les scientifiques continuent de snober la question du commencement. Einstein le premier refuse d'admettre ce que ses équations semblent pourtant imposer : un Univers dynamique. Allant jusqu'à tout tenter pour faire émerger de sa tambouille théorique, conformément à ce qu'a imaginé le philosophe grec Aristote, un Univers immobile et éternel. Mais les équations ne trompent pas. Et en 1927, le physicien et abbé Georges Lemaître confirme les résultats qui avaient été obtenus dès 1922 par Alexandre Friedmann. A savoir que selon la relativité générale, deux solutions sont envisageables : soit l'Univers, parti de rien, est actuellement dans une phase d'expansion qui durera éternellement ; soit il est en expansion, mais atteindra un maximum avant de se rétracter et de s'effondrer dans un "big crunch", prélude à une nouvelle phase d'expansion. Autant de spéculations mathématiques qui commencent à être prises au sérieux alors que la même année, Edwin Hubble découvre que les galaxies s'éloignent les unes des autres à une vitesse d'autant plus élevée que leur distance est grande, preuve que l'Univers est en expansion. Lemaître propose alors son hypothèse de "l'atome primitif", selon laquelle le cosmos serait issu d'une sorte de gigantesque noyau atomique dont la désintégration aurait initié l'expansion. Le big bang est né.
Pour autant, il est amusant de constater que ce n'est pas chez les scientifiques que la théorie fait le plus recette. C'est d'ailleurs pour la tourner en dérision que l'astrophysicien et grand vulgarisateur Fred Hoyle la baptise en 1950 de ce nom de big bang qui la rendra célèbre, sur l'antenne de la BBC. Si l'anecdote fait figure de blague, elle résume bien le malaise des physiciens qui, recherchant la cause de toute chose dans la matière, sont incapables de concevoir l'émergence de quelque chose à partir de rien. A l'inverse, l'année suivante, le pape Pie XII déclare, dans une tentative de concilier la Bible et les avancées de la science, que le big bang est le "Fiat lux, l'instant où le cosmos est sorti de la main du créateur". C'est aller vite en besogne, au point que même l'abbé Lemaître est horrifié par ce mélange des genres. Quoi qu'il en soit, au milieu des années 1960, toutes les prédictions formulées dans le cadre de la théorie du big bang reçoivent une confirmation observationnelle. Si bien que dans un monde occidental à la culture judéo-chrétienne, l'idée qu'avec la théorie du big bang, les scientifiques ont résolu la question de l'origine de l'Univers devient un lieu commun.

L'UNIVERS, ASSURÉMENT QUANTIQUE

Et pour cause, les physiciens savent depuis longtemps qu'à l'approche de "l'instant initial", l'Univers était si petit qu'il faut repenser la physique qui le gouverne. En effet, si les grandes masses comme les étoiles suivent les lois de la relativité générale, le monde de l'infiniment petit est quant à lui régi par les lois de la mécanique quantique, qui décrit les particules comme des petits quantas d'énergie. A l'approche du big bang, du fait de sa taille infime, l'Univers était assurément quantique, tout en restant infiniment massif, donc soumis à la relativité générale. Or, ces deux grandes théories sont incompatibles ! D'où l'incapacité des physiciens à traiter la question. Ainsi, le modèle du big bang achoppe dès lors que l'Univers, âgé de 10-43 seconde, affichait un diamètre de 10-35 mètre et une température de 1032 °C, paramètres qui, pour les cosmologistes, délimitent l'ère dite de Planck.
Au regard des 13,7 milliards d'années qu'elle décrit précisément, il pourrait paraître tatillon de reprocher à la théorie du big bang de se taire sur la toute première fraction de seconde. Sauf que c'est un fait : au-delà du temps de Planck, les équations sont aveugles. Autrement dit, elles n'en disent pas plus sur ce qui a conduit l'Univers à l'ère de Planck, que la contemplation d'une allumette embrasée ne permet de déduire qu'elle a été frottée sur un grattoir, enflammée au contact d'un autre feu... ou allumée par l'opération du Saint-Esprit. D'autant qu'il se pourrait très bien qu'il n'y ait tout simplement pas eu d'origine. En effet, s'il est courant d'affirmer que le temps de Planck correspond à l'Univers tel qu'il était 10-43 seconde après le big bang, ce n'est que par abus de langage. D'une part parce que cet "âge" laisse penser à l'existence d'un temps "zéro" dont la théorie du big bang ne dit rien. D'autre part, il apparait aujourd'hui que la notion même de temps n'a peut-être plus aucun sens physique une fois franchi le mur de Planck. Pour l'escalader, les physiciens n'ont qu'une solution : réconcilier sur le papier la mécanique quantique, indispensable pour décrire les phénomènes ayant cours dans l'infiniment petit, et la relativité générale, sans laquelle aucune prise en compte de la gravitation n'est possible à l'échelle de l'Univers. En un mot, ils doivent mettre sur pied une théorie quantique de la gravitation. Sauf qu'en presque un siècle de tentatives, personne n'y est parvenu de façon totalement convaincante. Et sans cette indispensable clé, personne ne peut ouvrir les portes de l'avant-big bang.
Aujourd'hui, essentiellement deux grandes approches se partagent les suffrages de la communauté physicienne. D'après la théorie des cordes, introduite dans les années 1970, l'ensemble des forces et des particules que contient l'Univers émaneraient toutes des vibrations de minuscules cordes dont la taille avoisinerait la longueur de Planck. Et c'est la dynamique de ces objets qui permettrait de décrire les évolutions de l'espace-temps dans l'Univers primordial. Autre candidate à la quantification de la gravitation : la gravitation quantique à boucles, fondée dans les années 1980 par Abhay Ashtekar, Carlo Rovelli et Lee Smolin. A l'échelle de Planck, l'espace-temps devrait selon elle perdre son aspect lisse et continu tel que décrit par la théorie einsteinienne, et révéler une structure granulaire résultant de la juxtaposition de minuscules volumes spatio-temporels insécables. Une conclusion qui découle d'une conciliation simple des grands principes de la relativité générale et de la mécanique quantique. De façon intéressante, si ces deux approches diffèrent par bien des aspects, elles conduisent à la même conclusion au sujet de la singularité initiale. Ainsi, selon l'approche cordiste, il est exclu que la température de l'Univers ait jamais dépassé une certaine limite, de même que sa densité ou sa courbure. Ce qui concrètement revient à dire que la singularité soi-disant originelle n'est qu'une chimère. De même, la théorie quantique à boucles prédit que le plus petit volume possible pouvant exister est de l'ordre de 10-105 m³. Façon de dire que l'Univers réduit à un point de "l'instant zéro" relève de la fable.

UN UNIVERS GLOBALEMENT ÉTERNEL

Reste à savoir par quoi le remplacer. Disons-le d'emblée, le plus grand flou règne à ce sujet. Si ce n'est que la théorie des cordes comme celle des boucles offrent chacune un cadre conceptuel pour penser des modèles d'Univers primordiaux. Selon certains, le big bang serait comme un "pont quantique" entre notre Univers en expansion et un autre en contraction. D'autres imaginent un Univers membranaire flottant dans un espace de dimension supérieure au milieu d'autres "branes". Un big bang se produirait alors à chaque fois que deux branes entrent en collision. Plus étrange encore, au-delà du temps de Planck, l'espace pourrait s'évanouir, laissant seul un temps ralentissant au point de rendre la singularité inaccessible. Enfin, certains scénarios mettent en scène un métaUnivers dans lequel des univers jailliraient en permanence, et ceci de toute éternité, chacun étant de plus régi par des lois physiques différentes.
Comme le fait remarquer Thibault Damour, de l'Institut des hautes études scientifiques, à Bures-sur-Yvette, "aujourd 'hui, personne ne peut prétendre savoir ce qui s'est passé avant le temps de Planck, mais la richesse du formalisme de la physique fait que l'on n'est plus obligé de se limiter à une singularité dont la science ne pourrait rien dire". Enthousiaste, Aurélien Barrau ajoute : "Aujourd'hui, les différents scénarios proposés neutralisent la question de l'origine, laissant entrevoir un Univers ou multivers - globalement éternel". Pour autant, force est d'admettre qu'il ne s'agit encore que de spéculations fondées sur des théories très éloignées du statut de vérité scientifique. Sans compter que les astrophysiciens sont encore loin de pouvoir réaliser une observation susceptible de mettre tout le monde d'accord. Si tant est qu'ils le puissent un jour. Et il y a fort à parier que cette nouvelle vision scientifique n'est pas de nature à dissiper le halo de perplexité métaphysique entourant tout amateur de ciels étoilés. Car si l'idée d'un Univers éternel permet aux physiciens de mettre de côté la difficile question d'une création ex nihilo, pas sûr qu'il soit plus facile de résister au vertige de l'éternité qu'à celui de l'origine.

L'ORIGINE DE L'UNIVERS, UNE IMPASSE PHILOSOPHIQUE ?

Étienne Klein, directeur du Laboratoire de Recherche sur les Sciences de la Matière, au CEA-Saclay.

SVHS : La physique peut-elle résoudre la question de l'origine de l'Univers ?
Etienne Klein : En réalité, lorsque les scientifiques dissertent sur l'origine de l'Univers, il n'est jamais question de genèse proprement dite. Ils parlent de généalogie, de métamorphose, de structuration de constituants élémentaires. De l'origine, ils ne révèlent jamais que des sous-produits, c'est-à-dire des transitions d'un état à un autre. Toute origine entrevue n'est jamais qu'une étape ou une origine secondaire. Dès lors, les origines dont parlent les scientifiques ne constituent pas l'amont premier, mais à rebours du (bon) sens des mots, elles se posent plutôt en ultime aval : elles achèvent quelque chose.
Qu'il s'agisse de l'Univers ou d'autre chose, l'explication de l'origine d'une entité physique donnée mobilise toujours d'autres entités physiques. Ainsi, dans le cas de l'origine de l'Univers, les physiciens invoquent le vide quantique, gorgé de particules virtuelles en attente d'énergie pour exister enfin, ou bien un trou noir primordial dont l'explosion aurait engendré l'Univers tel que nous le connaissons, ou bien quelque chose d'autre... Quoi qu'il en soit, ce qui préexiste à notre univers n'est jamais rien.

SVHS : Est-il simplement possible de penser l'origine "originelle" de quelque chose ?
Etienne Klein : Admettons que l'Univers ait eu une origine au sens vrai du terme, c'est-à-dire qu'il soit sorti du néant pur. Le langage même est-il en mesure de décrire cette transition du non-être à l'être ? Pour répondre, il faut faire un petit détour pour s'interroger sur ce que, d'une façon générale, on appelle le changement. En effet, depuis les Grecs, l'idée de changement d'un être ou d'un objet concret constitue un authentique paradoxe : soit l'être ou l'objet dont on dit qu'il change demeure un et le même, auquel cas il n'a pas changé ; soit il a vraiment changé, et alors on ne peut plus dire qu'il est un et le même... Pour résoudre le dilemme, il faut comprendre que changer ne signifie pas être remplacé. Ce n'est pas cesser d'être soi, mais être soi autrement. Ainsi, nous considérons qu'une chose particulière peut subir certains changements, c'est-à-dire ne plus être la même, tout en demeurant elle-même.
Mais comment ces considérations s'appliquent -elles au cas du néant ? Pour pouvoir dire qu'il change, il faudrait que quelque chose subsiste, en même temps que plusieurs de ses propriétés changent. Or, le néant est précisément ce qui n'a aucune propriété ! Lui en attribuer une qui puisse changer suffirait en effet à faire de lui quelque chose, c'est-à-dire le distinguer de lui-même. Autrement dit, nous sommes incapables de décrire et peut-être même de concevoir un changement qui concernerait le néant.

SVHS : L'origine de l'Univers serait alors inaccessible à la pensée ?
Etienne Klein : Encore une fois, la question de l'origine de l'Univers est, par définition, une affaire de transition, la plus radicale qui soit puisqu'elle fait passer de l'absence de toute chose à la présence d'une chose. Elle est cette question que nous ne pouvons pas ne pas nous poser en même temps que nous ne disposons pas des armes conceptuelles et des compétences langagières qui nous permettraient de la résoudre. Lorsqu'il pose la question de l'origine de l'Univers, de l'origine de toutes les origines, notre langage se réfracte lui-même, pour s'abîmer dans ce qui n'est que son ombre. Une ombre envoûtante.

 M.G. - SCIENCE & VIE Hors Série > Septembre > 2011

5 Scénarios de l'Avant le Big Bang

SCÉNARIO 1 : UN REMPS INFINI S'ÉCOULAIT

Il y a une dizaine d'années, Thibault Damour, à l'Institut des hautes études scientifiques de Bures-sur-Yvette, Marc Henneaux, à l'Institut Solvay en Belgique, et Hermann Nicolai, à l'Institut Max-Planck en Allemagne, ont proposé un scénario du tout début de l'Univers à donner le tournis. Ces trois physiciens étudient alors une théorie de la gravité quantique à 11 dimensions dans le cadre de la théorie des cordes. Ils constatent qu'en traversant le mur de Planck, (en se projetant avant 10-43 seconde), toute notion de distance, et plus généralement l'ensemble des paramètres qui décrivent la géométrie de l'espace-temps, disparaît ! Ainsi, selon ces physiciens, avant le temps de Planck, l'idée même d'espace n'a tout simplement pas de sens. Il ne reste donc que le temps, mais pas n'importe lequel, puisque selons les théoriciens, celui-ci s'étire au fur et à mesure que l'on approche de la singularité initiale ! "Ça devient flou, admet Thibault Damour. Mais techniquement, on constate que plus on remonte dans le passé, plus le nombre de phénomènes physiques qui se produisent entre 2 instants augmente". Si bien que, comme dans le paradoxe de Zénon, qui voyait Achille ne jamais rattraper la tortue, il est possible qu'entre l'ère de Planck et "l'instant initial", l'intervalle de temps à parcourir soit sans limite.

SCÉNARIO 2 : DES BRANES SE FRÔLAIENT

En 2001, Neil Turok à l'université de Cambridge, et Paul Steinhardt à Princeton, se sont inspirés de l'idée contenue dans la théorie des cordes, d'un espace-temps possédant non pas 3, mais 10 dimentions d'espace. Selon eux, notre Univers pourrait n'être qu'une sorte de membrane tridimentionnelle, appelée "brane" dans un espace de dimention supérieure. D'après leur calculs, 2 branes initialement vides s'attirent avant d'entrer en collision. L'énergie du choc est alors transformée en matière et en rayonnement dans ce que nous appelons un big bang. Les 2 branes s'éloignent alors l'une de l'autre en se dilatant, en même temps que leur contenu matériel s'organise. Ce scénario a pu ne se produire qu'une fois. Mais il est également possible qu'il advienne cycliquement. Dans ce cas, l'expension d'une brane ralentit alors qu'elle s'éloigne d'une autre avec laquelle elle vient d'entrer en collision. Puis cette expansion s'accélère alors qu'elle se rapproche d'une autre, avant de se contracter juste avnt le choc. L'accélération de l'expansion constatée actuellement dans notre Univers pourrait ainsi être... le signe d'un prochain choc...

SCÉNARIO 3 : L'UNIVERS ÉTAIT EN CONTRACTION

D'après les calculs de Abhay Ashtekar, Tomasz Pawlowski et Parampeet Singh, à l'université de Pennsylvanie, il est possible d'imaginer qu'un Univers préexistant de toute éternité se serait effondré sur lui-même sous l'effet de la force de gravité. Une fois atteint la densité critique, la gravitation devenant répulsive, il aurait alors rebondit sur lui-même (provoquant notre big bang), avant d'entrer dans la phase d'expansion que nous constatons actuellement. Ce scénario se base sur la théorie de la gravitation à boucle (concurrente de la théorie des cordes), qui stipule que lorsque la densité de l'Univers dépasse 1000 milliards de masses solaires dans une région de la taille d'un proton, la gravitation devient répulsive.
Ainsi avec ce scénario, une fois de plus, l'Univers existe de toute éternité. Pour autant, d'après les travaux récents de Martin Bojowald, également à l'université de Pennsylvanie, durant le rebond, l'Univers se serait trouvé dans un état quantique d'une incertitude insondable. Au point que toute information sur le préunivers y aurait été définitivement effacée.

SCÉNARIO 4 : LA MATIÈRE FORMAIT DES TROUS NOIRS

Dans ce scénario développé par Gabriele Veneziano, du Collège de Frtance, et Maurizio Gasperini, de l'université de Bari au début des années 1990, L'univers est éternel, dans le passé comme dans le futur. Baptisé "pré-big bang", il se projette dans un lointain passé, dans lequel le cosmos contenait un gaz extrèmement dilué de rayonnement et de matière. Peti à petit, les forces ont gagné en intensité et la matière a commencé à s'agréger, au point que dans certaines régions, des trous noirs se sont formés. Au sein de chaque trou noir, la densité de matière a continué à augmenter jusqu'à atteindre la valeur maximale permise par la théorie des cordes. La matière a alors rebondi sur elle-même, recommençant à s'étendre, engendrant ce que nous appelons le big bang. Dans cette vision, notre Univers ne serait que l'intérieur d'un de ces trous noirs...

SCÉNARIO 5 : D'AUTRES BIG BANG SE MULTIPLIAIENT

Dans les anées 1980, Andrei Linde à l'université de Stanford, a développé la théorie de l'inflation selon laquelle peu après l'ère de Planck, l'Univers aurait connu une phase d'expansion accélérée durant laquelle son diamètre aurait été multiplié par 1030. Or, selon la théorie de l'inflation, notre Univers bien plus vaste que l'Univers observable, pourrait avoir un diamètre de 10 à la puissance 10 années-lumière. Et encore, il ne serait qu'une infime fraction d'un méta univers dans lequel, à chaque instant, et ceci de toute éternité, une nouvelle phase d'inflation pourrait se produire, engendrant une nouvelle "bull" dans une mousse infini d'univers.
Par ailleurs, selon les extensions les plus récentes de la théorie des cordes, il pourrait exister 10500 à 101000 jeux différents des paramètres nécessaires pour décrire un univers. Ainsi d'après Léonard Susskind à l'université de Stanford, il est possible que chacun des univers nés de l'inflation éternelle possède ses propres lois physiques. Notre big bang ne serait alors qu'un épiphénomène dans une histoire sans limiteni spatiale, ni temporelle.

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