L’Univers n’a peut-être jamais commencé, disent des physiciens
Au début, il y avait… eh bien, peut-être qu’il n’y a pas eu de début.
Peut-être que notre Univers a toujours existé – et une nouvelle théorie de la gravité quantique révèle comment cela pourrait fonctionner.
“La réalité comporte tellement de choses que la plupart des gens associeraient à la science-fiction ou même à la fantaisie”, a déclaré Bruno Bento, un physicien qui étudie la nature du temps à l’université de Liverpool, au Royaume-Uni.
Dans ses travaux, il a utilisé une nouvelle théorie de la gravité quantique, appelée théorie des ensembles causaux, dans laquelle l’espace et le temps sont décomposés en morceaux discrets d’espace-temps. Selon cette théorie, il existe, à un certain niveau, une unité fondamentale de l’espace-temps.
Bento et ses collaborateurs ont utilisé cette approche des ensembles causaux pour explorer le début de l’Univers. Ils ont découvert qu’il est possible que l’Univers n’ait pas eu de commencement, qu’il ait toujours existé dans un passé infini et qu’il n’ait évolué que récemment vers ce que nous appelons le Big Bang.
Un quantum de gravité
La gravité quantique est peut-être le problème le plus frustrant de la physique moderne. Nous disposons de deux théories de l’Univers extraordinairement efficaces : la physique quantique et la relativité générale.
La physique quantique a permis de décrire avec succès trois des quatre forces fondamentales de la nature (l’électromagnétisme, la force faible et la force forte) jusqu’à des échelles microscopiques. La relativité générale, quant à elle, est la description la plus puissante et la plus complète de la gravité jamais conçue.
Mais malgré toutes ses forces, la relativité générale est incomplète. Dans au moins deux endroits spécifiques de l’Univers, les mathématiques de la relativité générale s’effondrent tout simplement et ne produisent pas de résultats fiables : au centre des trous noirs et au début de l’Univers.
Ces régions sont appelées “singularités”, c’est-à-dire des endroits de l’espace-temps où les lois actuelles de la physique s’effondrent, et elles constituent des signaux d’alarme mathématiques indiquant que la théorie de la relativité générale est en train de se tromper. Dans ces deux singularités, la gravité devient incroyablement forte à de très petites échelles de longueur.
Ainsi, pour résoudre les mystères des singularités, les physiciens ont besoin d’une description microscopique de la gravité forte, également appelée théorie quantique de la gravité. Il existe de nombreux prétendants, dont la théorie des cordes et la gravité quantique à boucles.
Et il existe une autre approche qui réécrit complètement notre compréhension de l’espace et du temps.
La théorie des ensembles causaux
Dans toutes les théories actuelles de la physique, l’espace et le temps sont continus. Ils forment un tissu lisse qui sous-tend toute la réalité. Dans un tel espace-temps continu, deux points peuvent être aussi proches que possible l’un de l’autre dans l’espace, et deux événements peuvent se produire aussi proches que possible l’un de l’autre dans le temps.
Mais une autre approche, appelée théorie des ensembles causaux, réimagine l’espace-temps comme une série de morceaux discrets, ou “atomes” d’espace-temps. Cette théorie impose des limites strictes à la proximité des événements dans l’espace et le temps, puisqu’ils ne peuvent pas être plus proches que la taille de l’“atome”.
Par exemple, si vous regardez votre écran en lisant ceci, tout semble lisse et continu. Mais si vous regardiez le même écran à travers une loupe, vous verriez les pixels qui divisent l’espace, et vous constateriez qu’il est impossible de rapprocher deux images sur votre écran de plus d’un pixel.
Cette théorie de la physique a enthousiasmé Bento.
“J’ai été ravi de trouver cette théorie, qui non seulement tente d’être aussi fondamentale que possible – étant une approche de la gravité quantique et repensant en fait la notion d’espace-temps elle-même – mais qui accorde également un rôle central au temps et à ce que signifie physiquement le passage du temps, à quel point votre passé est réellement physique et si le futur existe déjà ou non”, a déclaré Bento à Live Science.
L’origine du temps
La théorie des ensembles causaux a des implications importantes sur la nature du temps.
“Une énorme partie de la philosophie des ensembles causaux est que le passage du temps est quelque chose de physique, qu’il ne devrait pas être attribué à une sorte d’illusion émergente ou à quelque chose qui se produit à l’intérieur de notre cerveau et qui nous fait penser que le temps passe ; ce passage est, en soi, une manifestation de la théorie physique”, a déclaré Bento.
“Ainsi, dans la théorie des ensembles causaux, un ensemble causal croît d’un ‘atome’ à la fois et devient de plus en plus grand.”
L’approche de l’ensemble causal élimine proprement le problème de la singularité du Big Bang car, dans cette théorie, les singularités ne peuvent pas exister. Il est impossible que la matière se comprime jusqu’à des points infiniment petits – ils ne peuvent pas être plus petits que la taille d’un atome d’espace-temps.
Donc, sans singularité du Big Bang, à quoi ressemble le début de notre Univers ? C’est là que Bento et son collaborateur, Stav Zalel, étudiant diplômé de l’Imperial College de Londres, ont repris le fil, en explorant ce que la théorie des ensembles causaux a à dire sur les moments initiaux de l’univers.
Leurs travaux figurent dans un article publié le 24 septembre sur la base de données arXiv. (L’article n’a pas encore été publié dans une revue scientifique à comité de lecture).
L’article examine “si un début doit exister dans l’approche de l’ensemble causal”, a déclaré Bento.
“Dans la formulation et la dynamique de l’ensemble causal original, classiquement parlant, un ensemble causal se développe à partir de rien jusqu’à l’Univers que nous voyons aujourd’hui. Dans notre travail au contraire, il n’y aurait pas de Big Bang comme début, car l’ensemble causal serait infini vers le passé, et il y a donc toujours quelque chose avant.”
Leur travail implique que l’Univers n’a peut-être pas eu de commencement – qu’il a simplement toujours existé. Ce que nous percevons comme le Big Bang pourrait n’avoir été qu’un moment particulier dans l’évolution de cet ensemble causal toujours existant, et non un véritable commencement.
Il reste cependant beaucoup de travail à faire. On ne sait pas encore si cette approche causale sans commencement peut permettre l’élaboration de théories physiques avec lesquelles nous pouvons travailler pour décrire l’évolution complexe de l’Univers pendant le Big Bang.
“On peut encore se demander si cette approche peut être interprétée de manière raisonnable, ou ce que signifie physiquement une telle dynamique dans un sens plus large, mais nous avons montré qu’un cadre est effectivement possible”, a déclaré Bento. “Donc, au moins mathématiquement, cela peut être fait.”
En d’autres termes, c’est… un début.
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Source : Live Science – Traduit par Anguille sous roche
