C’est la question la plus fondamentale de la cosmologie : Comment l’univers a-t-il commencé ?
La question présuppose que l’univers a eu un point de départ réel, mais on pourrait tout aussi bien supposer que l’univers a toujours été et sera toujours. Dans ce cas, il n’y aurait pas le moindre commencement – juste une histoire en constante évolution dont nous n’attrapons qu’un simple aperçu.
« Nous avons de très bonnes preuves qu’il y a eu un Big Bang, donc l’univers tel que nous le connaissons a presque certainement commencé il y a quelque 14 milliards d’années. Mais était-ce le début absolu, ou y avait-il quelque chose avant ? », demande Alexander Vilenkin, cosmologiste à l’université Tufts, près de Boston. C’est le genre de question à laquelle on ne pourra jamais vraiment répondre, car chaque fois que quelqu’un propose une solution, quelqu’un d’autre peut continuer à poser la question ennuyeuse : Que s’est-il passé avant cela ?
Mais maintenant Vilenkin dit qu’il a des preuves convaincantes en main : L’univers a eu un début distinct – bien qu’il ne puisse pas en préciser l’époque. Après 35 ans de retour en arrière, dit-il, il a découvert qu’avant notre univers, il n’y avait rien, rien du tout, pas même le temps lui-même.
Tout au long de sa carrière, y compris pendant les plus de 20 ans où il a dirigé l’Institut de cosmologie de Tufts, Vilenkin a émis une série d’idées sauvages et éblouissantes, bien que de l’extérieur, il n’ait l’air ni sauvage ni éblouissant. Le professeur, âgé de 64 ans, est un homme à la voix douce, à la taille et à la corpulence modestes. Il s’habille proprement, dans des tons neutres et sobres qui n’attirent pas l’attention sur lui.
Malgré des manières discrètes à la limite de la discrétion, Vilenkin est une force créative qui a continuellement trouvé des moyens de percer le brouillard entourant certains des questionnements les plus denses que l’on puisse imaginer – des triomphes qui lui ont valu le respect des universitaires du monde entier. « Alex est un penseur très original et profond qui a apporté des contributions importantes et profondes à nos notions sur la création de l’univers », déclare Andrei Linde, cosmologiste à Stanford.
Pourtant, cette brillante carrière aurait pu ne jamais voir le jour. Né en Union soviétique en 1949 et élevé dans la ville ukrainienne de Kharkiv, Vilenkin est devenu accro à la cosmologie au lycée, après avoir lu des informations sur le Big Bang dans un livre de Sir Arthur Eddington. Cette « obsession » pour les origines de l’univers, explique-t-il, « ne m’a jamais quitté. J’ai eu le sentiment que si vous pouviez travailler sur cette question, qui est peut-être la plus intrigante de toutes, pourquoi choisir de travailler sur quoi que ce soit d’autre ? »
En tant qu’étudiant de premier cycle à l’Université nationale de Kharkiv, Vilenkin dit qu’on lui a conseillé de « faire de la vraie physique » plutôt que de poursuivre son premier amour, la cosmologie. Bien qu’il ait été un excellent étudiant, il n’a pu être admis dans aucun programme d’études supérieures en physique car, selon lui, le KGB l’a mis sur liste noire pour avoir refusé de devenir un informateur du gouvernement. À la place, Vilenkin a été contraint d’accepter une série d’emplois banals. Pendant un temps, il a enseigné des cours du soir pour adultes, mais a quitté ce poste parce que ses responsabilités incluaient de se rendre au domicile des absents, dont beaucoup étaient alcooliques, pour essayer de les traîner à l’école – une tâche peu enviable.
Il a été gardien de nuit pendant environ un an et demi, y compris un passage au zoo de Kharkiv. Pour protéger les animaux (qui étaient parfois chassés pour être mangés), on lui a donné un fusil dont il ne savait pas se servir et qu’il n’a heureusement jamais eu à utiliser. Lorsqu’il avait le temps pendant ces longues nuits, Vilenkin étudiait la physique, une passion qui l’amenait à lire les quatre volumes des œuvres d’Albert Einstein. Il s’est fait virer de cette mission prune lorsque quelqu’un a décidé – peut-être en se basant sur son choix de lecture – qu’il était surqualifié pour la tâche à accomplir.
Comme ses perspectives d’emploi semblaient sombres, il a décidé d’émigrer aux États-Unis ; il s’est dit qu’il commencerait par laver la vaisselle tout en essayant de percer dans le milieu universitaire. Mais sortir de l’Union soviétique nécessitait un plan élaboré : Les Juifs comme lui sont autorisés à se rendre en Israël en petit nombre, déterminé par un quota, mais il faut d’abord obtenir une invitation de parents israéliens. Vilenkin n’avait aucun parent réel là-bas, il a donc contacté un ami qui connaissait des gens en Israël et a finalement trouvé quelqu’un – un étranger pour lui – assez gentil pour écrire une lettre en son nom.
Après l’arrivée de la lettre, il a attendu un an pour obtenir un visa, mais cela lui a coûté cher. Avant que Vilenkin et sa femme puissent partir, leurs parents devaient consentir au déménagement. Pour avoir donné leur permission, les parents de sa femme ont perdu leur emploi de laboratoire. Son père, professeur d’université, a lui aussi perdu son emploi par la suite. L’étape traditionnelle en route vers Israël était Vienne, mais de là, Vilenkin, sa femme et sa fille âgée d’un an sont allés à Rome, où ils sont arrivés en 1976. Ils ont rencontré le consulat américain à Rome et, après une attente de trois mois, ont finalement obtenu un visa pour les États-Unis.
Retour au Big Bang
À l’automne 1977, Vilenkin a pris un poste postdoctoral à Case Western Reserve, où il était censé étudier les propriétés électriques des métaux chauffés. Il trouve néanmoins le temps de théoriser sur les trous noirs en rotation et leurs mystérieux champs magnétiques. Un an plus tard, il a eu sa chance lorsque Tufts lui a offert un poste de visiteur d’un an. Il a fait un pari en se plongeant dans la cosmologie, un domaine considéré comme marginal à l’époque.
Cela allait bientôt changer. Fin 1979, un post-doc en physique de Stanford nommé Alan Guth a proposé une explication de la force explosive derrière le Big Bang. Le saut intellectuel de Guth découlait des théories de la physique des particules, qui soutenaient qu’à des énergies extrêmement élevées – bien plus élevées que celles qui pourraient jamais être atteintes en laboratoire – un état particulier de la matière renverserait la gravité, la rendant une force de répulsion plutôt que d’attraction.
Une parcelle d’espace contenant un tout petit peu de cette matière inhabituelle pourrait se repousser si violemment qu’elle exploserait littéralement. Guth a suggéré qu’une formidable explosion de ce type a déclenché le Big Bang, agrandissant rapidement l’univers au point de doubler sa taille au moins 100 fois. Cette poussée de croissance exponentielle – appelée inflation cosmique – a cependant été de courte durée, ne durant qu’une infime fraction de seconde, car la matière répulsive s’est rapidement désintégrée, laissant derrière elle les formes plus familières de matière et d’énergie qui remplissent l’univers aujourd’hui.
Cette idée a permis de résoudre simultanément un certain nombre d’énigmes en cosmologie. Elle a expliqué d’où venait le « bang » derrière le Big Bang et comment le cosmos est devenu si grand. L’inflation rapide dans toutes les directions a également expliqué pourquoi l’univers que nous observons aujourd’hui est si homogène, et pourquoi la température du rayonnement de fond laissé par cette explosion primordiale est uniforme, dans chaque parcelle du ciel, à une partie sur 100 000. L’inflation a également revitalisé la cosmologie, donnant aux théoriciens comme Vilenkin de quoi réfléchir – et un peu plus de respectabilité par-dessus le marché.
L’histoire sans fin
En 1982, quelques années après la percée de Guth, Vilenkin a eu sa propre réalisation : Le processus d’inflation devait être éternel, c’est-à-dire qu’une fois lancé, il ne s’arrêtait jamais complètement. L’inflation pourrait s’arrêter brusquement dans une région de l’espace, comme celle que nous habitons, mais elle continuerait ailleurs, déclenchant une série sans fin de big bangs. Chaque bang correspondrait à la naissance d’un univers « de poche » distinct, que l’on pourrait se représenter comme une bulle en expansion – l’une des innombrables bulles flottant au sein du « multivers », comme on l’appelle parfois.
Selon Vilenkin, la nature éternelle de l’inflation découlait de deux propriétés concurrentes du combustible cosmique, la matière répulsive à la gravité qui a provoqué l’expansion rapide de l’univers. D’une part, la matière était instable, un peu comme les substances radioactives, et était donc condamnée à se désintégrer. D’autre part, la matière se dilatait bien plus vite qu’elle ne se désintégrait, de sorte que même si la désintégration pouvait arrêter l’inflation dans certaines régions, la croissance effrénée se poursuivait dans d’autres.
Pour faire une analogie, Vilenkin suggère un blob de bactéries qui veut continuer à se reproduire et à croître, tandis que les anticorps tueurs de bactéries tentent de freiner cette croissance. Si les bactéries se reproduisent beaucoup plus vite qu’elles ne sont détruites, elles se multiplieront et se propageront rapidement, même si leur reproduction est contrariée dans certains endroits. D’une manière ou d’une autre, le résultat net est que l’inflation (ou la croissance bactérienne) ne se termine jamais partout à la fois et qu’elle est toujours en cours dans une partie du multivers – même au moment où vous lisez ce magazine.
Pour avoir une meilleure idée du phénomène, Vilenkin a fait équipe en 1986 avec un étudiant diplômé de Tufts, Mukunda Aryal, sur une simulation informatique qui montrait à quoi pourrait ressembler un univers éternellement en expansion. Dans leur simulation, les régions de gonflement, ou bulles, commençaient par être petites et grandissaient régulièrement, tandis que l’espace entre les bulles s’étendait également. Chaque bulle – représentant un mini-univers comme le nôtre – était entourée de bulles plus petites, elles-mêmes entourées d’univers-bulles encore plus petits, à leur tour.
Road to Eternity
Dans l’univers bouillonnant de Vilenkin, l’inflation était, par définition, éternelle dans le futur. Une fois lancée, elle ne s’arrêtait pas. Mais était-elle aussi éternelle dans le passé ? Y a-t-il jamais eu un moment où l’univers n’était pas en train de gonfler ? Et si l’univers était toujours en train de se gonfler, et toujours en expansion, cela impliquerait-il que l’univers lui-même était éternel et n’avait pas de commencement ?
Pour répondre à cette question, Vilenkin s’est associé à Guth et au mathématicien Arvind Borde de l’université de Long Island. À l’aide d’une preuve mathématique, ils ont fait valoir que tout univers en expansion comme le nôtre devait avoir un début. L’expérience de pensée qu’ils ont proposée était la suivante : Imaginez un univers rempli de particules. Au fur et à mesure de son expansion, la distance entre les particules augmente. Il s’ensuit que des observateurs disséminés dans cet univers en expansion s’éloigneraient les uns des autres jusqu’à ce qu’ils finissent par occuper des régions très dispersées de l’espace. Si vous vous trouviez être l’un de ces observateurs, plus un objet serait éloigné de vous, plus il s’éloignerait rapidement.
Maintenant, jetez dans le mélange un voyageur de l’espace se déplaçant dans l’espace à une vitesse fixe : il zoome devant la Terre à 100 000 kilomètres par seconde. Mais lorsqu’il atteint la galaxie suivante, qui s’éloigne de nous à une vitesse de 20 000 kilomètres par seconde, par exemple, il semble ne se déplacer que de 80 000 kilomètres par seconde pour les observateurs de cette galaxie. Au fur et à mesure qu’il poursuivra son voyage, la vitesse du voyageur de l’espace paraîtra de plus en plus faible aux observateurs qu’il croisera. Maintenant, nous allons lancer le film en sens inverse. Cette fois, la vitesse du voyageur de l’espace apparaîtra de plus en plus rapide à chaque galaxie successive.
Si nous supposons que l’inflation est éternelle dans le passé – qu’elle n’a pas eu de début – le voyageur de l’espace finira par atteindre et dépasser la vitesse de la lumière. Un calcul de Borde, Guth et Vilenkin a montré que cela se produirait dans un temps fini. Mais selon les lois de la relativité, il est impossible pour tout objet massif d’atteindre la vitesse de la lumière, et encore moins de la dépasser. « Cela ne peut pas arriver », dit Vilenkin. « Ainsi, lorsque vous suivez l’histoire de ce voyageur de l’espace en remontant le temps, vous constatez que son histoire doit prendre fin. »
Le fait que le voyage en arrière dans le temps du voyageur se heurte à une impasse signifie qu’il y a un problème, d’un point de vue logique, avec l’hypothèse d’un univers en expansion constante sur laquelle repose tout ce scénario. L’univers, en d’autres termes, n’a pas toujours pu être en expansion. Son expansion doit avoir eu un début, et l’inflation – une forme particulièrement explosive d’expansion cosmique – doit également avoir eu un début. Selon cette logique, notre univers a également eu un début puisqu’il a été engendré par un processus inflationniste qui est éternel dans le futur mais pas dans le passé.
Quelque chose à partir de rien
Un univers avec un commencement pose la question contrariante : Comment a-t-il commencé ? La réponse de Vilenkin n’est en aucun cas confirmée, et ne le sera peut-être jamais, mais elle reste la meilleure solution qu’il ait entendue jusqu’à présent : Peut-être que notre fantastique et glorieux univers est né spontanément de rien du tout. Cette affirmation hérétique va à l’encontre du bon sens, qui, il est vrai, nous fait défaut lorsqu’il s’agit de la naissance de l’univers, un événement censé se produire à des énergies insondables. Elle va également à l’encontre du philosophe romain Lucrèce, qui soutenait il y a plus de 2 000 ans que « rien ne peut être créé à partir de rien. »
Bien sûr, Lucrèce n’avait jamais entendu parler de la mécanique quantique et de la cosmologie inflationniste, des domaines du 20e siècle qui contestent son affirmation audacieuse. « Nous disons généralement que rien ne peut être créé à partir de rien parce que nous pensons que cela violerait la loi de la conservation de l’énergie », un principe sacré de la physique tenant que l’énergie ne peut être ni créée ni détruite, explique Vilenkin. Alors comment créer un univers contenant de la matière, alors qu’il n’y avait rien auparavant ?
« La façon dont l’univers contourne ce problème est que l’énergie gravitationnelle est négative, explique Vilenkin. C’est une conséquence du fait, mathématiquement prouvé, que l’énergie d’un univers fermé est nulle : L’énergie de la matière est positive, l’énergie de la gravitation est négative, et leur somme est toujours égale à zéro. « Par conséquent, créer un univers fermé à partir de rien ne viole aucune loi de conservation. »
Les calculs de Vilenkin montrent qu’un univers créé à partir de rien est susceptible d’être minuscule, en effet – beaucoup, beaucoup plus petit que, disons, un proton. Si ce minuscule royaume ne contient qu’un soupçon de matière à gravité répulsive, c’est suffisant pour garantir qu’il déclenchera le processus imparable de l’inflation éternelle, menant à l’univers que nous habitons aujourd’hui. Si la théorie se confirme, nous devons notre existence à la plus humble des origines : le rien lui-même.
Une vertu de cette image, si elle est correcte, est que la création spontanée de notre univers donne un point de départ défini aux choses. Le temps commence au moment de la création, ce qui met fin aux questions potentiellement sans fin sur « ce qui s’est passé avant. »
Pourtant, cette explication laisse encore un énorme mystère non résolu. Bien qu’un univers, dans le schéma de Vilenkin, puisse venir de rien dans le sens où il n’y a pas d’espace, de temps ou de matière, quelque chose est en place au préalable – à savoir les lois de la physique. Ces lois régissent le moment de création de quelque chose à partir de rien qui donne naissance à notre univers, et elles régissent également l’inflation éternelle, qui prend le relais dans la première nanoseconde de temps.
Cela soulève quelques questions inconfortables : Où résidaient les lois de la physique avant l’existence d’un univers auquel elles pouvaient être appliquées ? Existent-elles indépendamment de l’espace ou du temps ? « C’est un grand mystère que de savoir d’où viennent les lois de la physique. Nous ne savons même pas comment l’aborder », admet Vilenkin. « Mais avant l’arrivée de l’inflation, nous ne savions même pas comment aborder les questions que l’inflation a ensuite résolues. Alors qui sait, peut-être passerons-nous aussi cette barrière. »
Dans le film Magnum Force de Clint Eastwood, Harry Callahan dit : « Un homme doit connaître ses limites », mais le travail de Vilenkin témoigne de la volonté de repousser les limites traditionnelles. Si nous persévérons face au scepticisme et au doute, comme Vilenkin est souvent enclin à le faire, des idées intéressantes et inattendues pourraient bien émerger – tout comme un univers surgissant de nulle part.
Éliminer les failles
Faille #1
Pour étayer son hypothèse, Vilenkin a étudié d’autres univers modèles, éliminant les failles qui contredisent l’idée d’un début cosmique clair et net. Dans un article publié en 2012 avec Audrey Mithani, étudiante diplômée de Tufts, Vilenkin a examiné l’univers « cyclique » étudié par les physiciens Paul Steinhardt de l’université de Princeton et Neil Turok, aujourd’hui à l’Institut Perimeter.
Dans ce modèle, il n’y a ni un seul Big Bang ni un seul commencement. Au lieu de cela, l’univers passe continuellement par des cycles oscillants d’expansion, de contraction, d’effondrement et d’expansion à nouveau. Le hic, c’est que l’univers cyclique se heurte à la deuxième loi de la thermodynamique, qui dit que l’entropie, ou le désordre, d’un système fermé va inévitablement augmenter avec le temps.
Par exemple, un manoir orné de briques est très ordonné, alors qu’un tas de briques éparpillées sur le sol – résultat des ravages de la nature et de décennies ou de siècles de négligence – est plus désordonné. Et la poussière de brique, dispersée par le vent et l’eau après que les briques elles-mêmes se sont détériorées, est encore plus désordonnée. Laissé à lui-même, un système – même un univers à bulles – suivra naturellement cette voie. On ne voit pas souvent un manoir de briques se réassembler spontanément à partir de poussières dispersées.
Si notre univers était là depuis toujours et maintenait une taille stable, il aurait lui aussi succombé à la deuxième loi. Le désordre aurait inexorablement augmenté au point que l’univers ne serait plus qu’un flou lissé et sans caractéristiques. Mais ce n’est pas du tout ce que nous voyons. Au lieu de cela, nous voyons un univers rempli de grandes structures cosmiques – galaxies, amas de galaxies, amas d’amas appelés superamas, et amas de superamas appelés filaments de galaxies – certains de ces derniers s’étendant sur un milliard d’années-lumière ou plus.
Pour cette raison, Vilenkin exclut l’image de l’univers cyclique, à moins que l’on fasse l’hypothèse supplémentaire qu’après chaque cycle d’expansion et de contraction, l’univers finit par être un peu plus grand qu’au départ. Cette stipulation nous laisserait avec un autre univers en expansion, ce qui signifie que le théorème original de Borde-Guth-Vilenkin serait toujours applicable : Un univers en expansion constante doit avoir un seul commencement.
Loophole #2
Une autre échappatoire possible est le scénario de « l’œuf cosmique », un univers modèle avancé par le cosmologiste sud-africain George Ellis, entre autres. Selon ce point de vue, l’univers peut rester éternellement dans une configuration stable, avec une taille et un rayon fixes, jusqu’à ce qu’il commence soudainement à s’étendre – comme un œuf qui éclot après une phase d’incubation exceptionnellement longue.
Le problème avec cette proposition, selon Vilenkin et Mithani, c’est que le petit univers » stable » n’est pas si stable que cela après tout. À un moment donné au cours de la longue phase d’attente, il s’effondrerait vers le néant, avant même d’atteindre la période d’expansion – c’est-à-dire si l’on en croit les lois de la mécanique quantique.
La mécanique quantique, la branche de la physique qui prévaut pour décrire le fonctionnement des choses à l’échelle atomique, est exquisément bien testée, et exquisément bizarre. La mécanique quantique soutient que s’il y a la moindre chance que quelque chose se produise, aussi absurde que cela puisse paraître, cette chose est sûre de se produire si vous attendez suffisamment longtemps.
Il s’avère que les formules de la mécanique quantique prévoient une chance infime (mais non nulle) que l’univers de l’œuf cosmique s’effondre à une taille nulle, auquel cas l’univers d’antan disparaîtrait complètement. Compte tenu d’un temps infini, ce que prévoit le scénario de l’œuf cosmique, un tel effondrement serait inévitable – même si les chances qu’il se produise à un moment donné sont faibles – ce qui implique que l’univers n’a pas pu exister pour toujours.
En effet, dit Vilenkin, parmi toutes les idées auxquelles nous avons pensé jusqu’à présent pour un univers sans commencement, aucune ne semble fonctionner. « Donc la réponse à la question de savoir si l’univers a eu un commencement est oui, il en a probablement eu un. »
Cet article est initialement paru dans la presse sous le titre « Starting Point. »