La cosmologie quantique

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, 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. Ces galaxies se sont formées durant la phase gazeuse (stellaire), quelques millions voire un milliard 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 micro-onde fossile 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 de l’Université de New York s'était déjà demandé si à l'origine, les innombrables particules virtuelles du vide quantique n'avaient pas pu donner naissance à l'Univers... 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. A l'époque sa réflexion déclencha la risée de ses coéquipiers. Pourtant Tryon ne plaisantait pas.

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 DE est "empruntée" au vide, elle doit la restituer au bout d'un temps Dt tel que DEDt ³ . 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 secondes on peut matérialiser une paire d'électron-positron. Oui, de l'énergie permet de créer de la matière... mais l'inverse l'est tout autant. 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].  

Ainsi que nous l'avons vu, suivant l'idée de Tryon, Hawking postula 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 sec 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.

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. Voilà de beaux efforts d’imagination, mais il ne s’agit encore que de spéculations.

La théorie de l'Instanton de Hawking-Turok

Le modèle inflationnaire proposé par Hartle et Hawking est 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.

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 "poids" (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 poids mais sa densité extrêmement élevée représente selon les physiciens une masse à peu près équivalente à celle d'un petit poids ! 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 J.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.

Que penser de cette théorie ? En août 2001 j'ai eu personnellement 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 poids 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 W  = 0.01, alors que des expériences récentes montrent que W  = 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" publié en 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. Arrivé à ce point de l'Histoire, certains préfèrent pousser un soupir d'incompréhension et se tourner pour un temps vers la religion. Mais les physiciens n'aiment pas ça.  Comme l'a écrit le physicien J.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.

L'explosion quantique de l'Univers selon Andrei Linde.