Notre univers est de moins en moins vraisemblable

Pour expliquer le fascinant spectacle de la nuit étoilée, les différentes civilisations ont élaboré des scénarios plus fantaisistes les uns que les autres. Le progrès des moyens d’observation et des connaissances en astronomie et en physique nous permet de nous faire une image de l’Univers bien sûr plus fidèle à la réalité que celle offerte par les mythologies, mais à peine moins déroutante pour l’imagination. Selon les dernières estimations, la Voie lactée, la galaxie dans laquelle se trouve le système solaire, compte entre 100 et 400 milliards d’étoiles. L’Univers observable pourrait comprendre jusqu’à 2 000 milliards de galaxies, dont certaines contenant autant d’étoiles que la nôtre, voire davantage. Depuis la découverte, en 1929, grâce aux observations de l’astronome américain Edwin Hubble, que les galaxies s’éloignent d’autant plus rapidement qu’elles sont plus éloignées, on sait que l’Univers est en expansion. On sait aussi depuis peu que cette expansion s’accélère, paradoxalement puisque la force de gravitation devrait la ralentir. La découverte, en 1964, du « fond diffus cosmologique » (CMB), un rayonnement magnétique homogène et isotrope dans le domaine des micro-ondes, est venue confirmer l’hypothèse formulée durant la première moitié du XX^e siècle par les astronomes Georges Lemaître et George Gamow : l’Univers s’est développé à partir d’un état extrêmement dense et chaud en un processus appelé le Big Bang, intervenu il y a un peu moins de 14 milliards d’années.   

Cette idée, qui forme la base de la cosmologie, soulève presque autant de questions qu’elle apporte de réponses. Le fait même de l’expansion de l’Univers à partir d’un état compact n’est mis en cause par personne. Mais que s’est-il exactement passé lors du Big Bang ? Et celui-ci coïncide-t-il vraiment avec le début de l’Univers ? Longtemps, on a soutenu que se demander ce qu’il y avait avant le Big Bang avait aussi peu de sens que s’interroger sur ce qu’il y a au nord du pôle Nord, puisque le temps, comme d’ailleurs l’espace et la matière, était supposé apparaître avec lui. Pour les cosmologistes, l’Univers était issu d’une « singularité », région de l’espace-temps où, selon la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein, toutes les quantités (la densité, la pression, la température, la courbure de l’espace-temps engendrée par la gravitation) deviennent infinies. Ainsi que l’ont montré dans une série de théorèmes le mathématicien Roger Penrose et le physicien Stephen Hawking, de telles singularités se trouvent au cœur des « trous noirs » nés de l’effondrement d’étoiles massives. L’histoire du Big Bang serait donc comme celle de la formation d’un trou noir, mais à l’envers et à l’échelle de l’Univers. 

Cette représentation n’est plus tenue pour évidente. Dans Battle of the Big Bang, Niayesh Afshordi et Phil Halper expliquent pour quelle raison et passent en revue vingt-cinq modèles alternatifs proposés au cours des dernières années. Cosmologiste d’origine iranienne connu pour son inventivité et ses idées non orthodoxes, Afshordi a travaillé sur certains de ces modèles. Vulgarisateur réputé, Halper s’est entretenu avec la plupart de leurs auteurs. Le livre est écrit à la première personne par Afshordi. Il combine des aperçus de sa vie et de sa carrière, des portraits de certains autres chercheurs, des anecdotes sur l’histoire des théories cosmologiques et de longues et denses explications de leur contenu. 

Le récit complète et corrige une histoire parfois présentée de manière simplifiée, en mettant en lumière des contributions passées sous silence et en démontant une légende. Si Hubble a identifié le phénomène de fuite des galaxies, c’est grâce à la mise au point d’une méthode de mesure de leur distance par une astronome de Harvard rarement mentionnée, Henrietta Leavitt. L’idée de la naissance de l’Univers à partir de ce qu’il appelait un « atome primitif » est due au chanoine belge Georges Lemaître, mais le concept d’un univers en expansion avait été formulé dix ans plus tôt par le Russe Alexandre Friedmann. Le fond diffus cosmologique a été découvert à moitié fortuitement par les Américains Arno Penzias et Robert Wilson, mais il avait été identifié vingt-cinq ans auparavant par le Canadien Andrew McKellar, qui n’avait pas réalisé, il est vrai, sa signification. Quant à l’expression Big Bang, contrairement à ce qui a toujours été affirmé, si elle a bien été inventée par l’Anglais Fred Hoyle, ce n’est pas pour se moquer d’une théorie opposée à celle de l’univers stationnaire (sans commencement ni fin) qu’il défendait lui-même, mais dans l’intention de la décrire à l’aide d’une image qui la rende compréhensible par les profanes. 

Telle qu’elle a été initialement formulée, la théorie du Big Bang peinait à rendre compte d’un certain nombre de faits : l’homogénéité et l’isotropie de l’Univers, notamment, qu’aucun mécanisme ne semblait expliquer compte tenu du temps nécessaire pour qu’une information se propage d’un bout à l’autre et du caractère limité de la vitesse de la lumière ; ou le fait que sa courbure soit nulle, plutôt que positive ou négative, cet état étant instable dans un univers en expansion. Dans les années 1980, un modèle modifié de Big Bang a été proposé par le cosmologiste Alan Guth pour résoudre ces difficultés. Il implique que l’Univers a connu dans les premiers moments de son existence une phase d’expansion extrêmement rapide durant laquelle, sous l’effet d’une force de gravitation répulsive dans un « faux vide », il se serait agrandi de plusieurs dizaines d’ordres de grandeur en une durée infinitésimale, une fraction de milliardième de seconde. Guth situait cette phase d’inflation immédiatement après le Big Bang, mais on a fini par considérer qu’elle le précédait et en était la cause. 

Si elle aidait à résoudre élégamment certains problèmes, l’hypothèse de l’inflation en soulevait cependant d’autres, comme celui de son origine et le fait qu’un tel mécanisme est de nature à engendrer une multiplicité d’univers, à la manière dont un pot d’eau bouillante ne cesserait de produire des bulles si on l’alimentait continuellement en eau, le vide créé par l’expansion jouant le rôle de l’eau ajoutée, puisque l’inflation est produite par l’énergie du vide. 

Bien qu’attachés à l’idée de l’inflation, la plupart des cosmologistes, observe Afshordi, sont mal à l’aise avec celle d’un pullulement d’univers. Certains d’entre eux cherchèrent donc à s’en passer en proposant d’autres scénarios pour le Big Bang. Leur élaboration donna lieu à des retournements spectaculaires. Au départ promoteur de la théorie de l’inflation, Paul Steinhardt en devint l’un de ses adversaires les plus véhéments, affirmant qu’elle était trop peu contraignante pour qu’on puisse affirmer quoi que ce soit de l’univers dans lequel nous vivons et la critiquant avec une telle violence que ses partisans firent appel à une série de sommités, notamment Steven Weinberg, pour la défendre. Stephen Hawking et Roger Penrose abandonnèrent l’un et l’autre l’idée qu’une singularité puisse être à l’origine de l’Univers. Le premier au profit d’un modèle dans lequel l’Univers naît graduellement d’un monde quantique à quatre dimensions d’espace, où le temps n’existe pas. Le second en faveur d’un Univers cyclique en expansion continue, mais qui ne cesse de recommencer. Au moment où n’y subsiste plus que du rayonnement, en l’absence de matière pouvant donner une échelle de temps et de distance, le cosmos « oublie » qu’il a été grand. Né d’un Big Bang, l’Univers connaît un nouveau Big Bang, un processus infini dans le passé comme vers l’avenir. Cette hypothèse, qualifiée par son auteur lui-même de scandaleuse, n’est qu’un des modèles d’univers cyclique passés en revue dans l’ouvrage. Plusieurs autres, légèrement moins exotiques, ont été imaginés, basés sur des principes différents. Afshordi lui-même, à moitié sérieusement, en suggère un encore plus audacieux, puisqu’il rompt avec le principe de causalité sous sa forme traditionnelle. Fondé sur le concept, non d’un recommencent perpétuel de l’Univers dans le temps, mais d’un temps lui-même circulaire, il réaliserait en termes cosmologiques l’idée nietzschéenne de l’éternel retour.   

La prolifération des scénarios alternatifs du Big Bang est notamment la conséquence des difficultés qu’éprouvent les physiciens à concilier les deux cadres théoriques à l’intérieur desquels ils réfléchissent, la relativité générale et la mécanique quantique. La première rend compte du comportement de l’Univers après le Big Bang, mais le monde dans lequel celui-ci se produit est le monde quantique. Deux théories rivales proposées pour les combiner sont la gravitation quantique à boucles et la théorie des cordes, toutes deux défendues avec une égale férocité par des chercheurs de l’Institut où travaille Afshordi et toutes deux, rappelle-t-il, d’un caractère totalement spéculatif. L’une et l’autre ont donné lieu à une gamme de modèles du Big Bang, décrit, par exemple, comme produit par un mécanisme de rebond entre expansion et contraction, ou par la collision de « branes », entités existant dans un espace à de nombreuses dimensions. D’autres modèles font naître l’Univers d’une fluctuation quantique ou d’un trou noir à quatre dimensions. Un d’entre eux, défendu par Afshordi, implique que la vitesse de la lumière varie (une hérésie en relativité) à proximité du Big Bang. 

« Ce que la plupart de ces idées ont en commun, observe-t-il, est la notion que l’espace et le temps, qui structurent notre existence, voilent une réalité profonde qui nous est cachée – de sorte qu’à force d’aller en arrière vers le Big Bang, nous finirons par rencontrer un monde totalement étranger à notre expérience. La cosmologie entre dans le domaine quantique, où nos intuitions, adaptées au monde classique, nous abandonnent. » Une autre caractéristique commune de ces idées est l’extrême difficulté d’en vérifier la validité. Tout au long de l’ouvrage, les auteurs ne cessent d’insister sur la nécessité d’identifier des moyens de tester les théories proposées à l’aide de l’observation et de l’expérience. Mais le matériau dont on dispose pour cela se réduit à très peu de choses. Pour l’essentiel, il consiste dans le fond diffus cosmologique, qui porte comme un document fossile la trace des premiers moments de l’Univers. Tous les progrès réalisés dans ce domaine l’ont été grâce à son étude. 

Battle of the Big Bang se termine sur une note optimiste. Afshordi et Halper interprètent la multiplication des théories sur l’origine de l’Univers comme un signe de santé et de dynamisme de la cosmologie et de la physique en général. Ils formulent l’espoir que l’analyse des données fournies par de puissants détecteurs spatiaux d’ondes gravitationnelles par interférométrie (pour peu que les gouvernements acceptent d’en financer la construction) aidera à trancher entre les modèles concurrents de début de l’Univers. Sans qu’ils le disent, on ne peut d’ailleurs exclure que la théorie de l’inflation, qui reste la plus développée à ce jour, sorte renforcée de ces nouvelles observations. 

Ainsi que le fait remarquer le journaliste scientifique Philip Ball, on peut toutefois se demander dans quelle mesure, avec le Big Bang, on ne s’approche pas des frontières de ce qui est concevable. Steven Weinberg, qu’on ne peut pas accuser d’être un esprit timoré, envisageait sérieusement la possibilité que les secrets ultimes de la matière et du Cosmos soient tout simplement hors de portée du cerveau humain. Dans l’hypothèse, peu probable mais possible, où une super-intelligence artificielle viendrait à les percer, serions-nous capables de comprendre ce qu’elle nous en dirait ?