Voyage aux origines de l’univers

Tout a-t-il pu naître du néant ? La question peut sembler philosophique, voire absurde, mais, étonnamment, elle a toute sa place en physique, et plus particulièrement en cosmologie. Cette dernière s’intéresse à la nature et à l’évolution de l’univers tout entier. Mais avant de nous tourner vers le très grand, j’aimerais d’abord vous parler des découvertes des cent dernières années concernant le très petit. Car là, dans le monde quantique, nos conceptions de l’être et du non-être sont en effet souvent bouleversées.

Commençons tout de suite par l’essentiel : qu’entend-on par « quanta » ? Imaginez une lampe de poche, et imaginez en plus qu’on puisse en régler l’intensité. On peut par exemple obtenir ce réglage très simplement en réduisant l’alimentation électrique de la lampe. Si l’on fait cela, l’intensité de la lumière diminue également. Mais que se passe-t-il si l’on réduit très fortement l’intensité de la lampe ? Il s’avère que dans ce cas, à un certain moment, la lumière ne devient plus plus faible, mais qu’elle s’interrompt. Elle n’arrive plus que par intermittence, et entre-temps, la lampe ne s’allume pas du tout, un peu comme un signal morse. Si l’on continue à réduire l’intensité, ces « grappes » de lumière apparaissent de plus en plus rarement. Ces plus petites particules de lumière possibles sont des quanta de lumière – on les appelle aussi des photons.

D’ailleurs, nous, les humains, ne pouvons malheureusement pas réaliser cette expérience avec nos yeux, car ceux-ci ne sont pas assez sensibles pour percevoir des quanta de lumière individuels (nos yeux ne réagissent que lorsque de nombreux photons atteignent simultanément la rétine). Mais il n’en va pas de même pour tous les êtres vivants : certaines espèces de grenouilles voient si bien dans l’obscurité qu’elles doivent connaître ce phénomène des quanta de lumière individuels. Reste toutefois à savoir si elles en ont déjà déduit les lois de la mécanique quantique.

Deux remarques : premièrement, les quanta de lumière se distinguent par leur couleur. Ils ne peuvent toutefois pas être uniquement rouges, verts ou bleus, mais aussi, par exemple, infrarouges ou ultraviolets ; même les rayons X sont constitués de quanta de lumière. Et, deuxièmement, il n’y a pas que la lumière qui soit constituée de quanta, mais aussi toute la matière. Ainsi, par exemple, le courant électrique est provoqué par le mouvement des électrons. Ces électrons sont eux-mêmes des quanta ; mais cette fois-ci, ce sont des quanta dotés d’une charge électrique. En termes simples, les quanta sont donc les plus petites parties possibles de n’importe quelle matière.

Comme nous le savons depuis une centaine d’années, les particules quantiques se comportent parfois de manière étonnante. Un exemple : si l’on connaît la position d’un électron, on ne sait pas à quelle vitesse il se déplace. Et inversement : si l’on connaît sa vitesse, on ne peut pas vraiment dire où se trouve l’électron. Cela peut sembler difficile à croire, c’est pourquoi nous allons essayer brièvement de développer au moins une certaine intuition concernant ce comportement.

Nous devons nous poser la question suivante : comment peut-on déterminer la position d’un (minuscule) électron ? Lorsque je lis un journal, je vois la page et les lettres parce que la lumière se reflète sur la page avant de pénétrer dans mon œil. Ou plutôt : des quanta de lumière jaillissent du soleil (ou d’une lampe) en direction de la feuille, rebondissent ensuite sur les quanta de matière de la feuille, et finissent par atteindre mon œil, où ils stimulent les nerfs optiques. Ainsi, si nous voulons observer un électron, nous devons au moins lui envoyer un quantum de lumière. Celui-ci est alors renvoyé par l’électron et revient vers notre détecteur. Ce faisant, il est inévitable que l’électron soit influencé : la vitesse de l’électron change sous l’effet de la collision avec le quantum de lumière. En d’autres termes : si nous mesurons la position de l’électron, sa vitesse devient incertaine.

Cet argument suggère que l’incertitude quant à la position ou à la vitesse est plausible. La mécanique quantique va toutefois encore plus loin. Il s’avère en effet que nous ne pouvons absolument pas affirmer que l’électron possède une vitesse au moment même où nous mesurons sa position. Comme il est impossible de déterminer simultanément la position et la vitesse, une affirmation simultanée concernant ces deux grandeurs conduirait à des paradoxes. À strictement parler, on ne peut donc parler d’une propriété qu’au moment précis où elle est mesurée. Tout le reste n’est que pure fantaisie. La mécanique quantique affirme donc qu’il existe certaines limites fondamentales à notre connaissance.

Cela a des conséquences. Supposons que nous venions de mesurer la position d’un électron et que nous voulions maintenant déterminer sa vitesse. Cette vitesse n’existait pas jusqu’à présent. Si nous la mesurons, nous obtiendrons une valeur. Mais celle-ci est aléatoire (on peut toutefois calculer des probabilités pour différentes valeurs). Les lois de la nature comportent donc une part de hasard. Il doit en être ainsi, car si la valeur n’était pas aléatoire, nous pourrions alors, a posteriori, remonter dans le temps pour déterminer quelle était la vitesse à un instant antérieur, ce qui est impossible. D’une certaine manière, la vitesse est apparue de nulle part et prend en plus une valeur aléatoire.

Ce comportement est radicalement différent de celui de l’ancienne physique dite « classique ». Avant la découverte de la théorie quantique, on pensait que tout résultait de transformations. Comme l’a si bien dit Lavoisier (il y a plus de 200 ans) : « rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme ». Mais la physique quantique nous a prouvé le contraire : quelque chose de nouveau peut bel et bien naître, tout simplement à partir de rien !

Curieusement, il est tout à fait possible que cet effet, que nous, les humains, avons observé au niveau des particules les plus infimes, ait eu une influence décisive sur l’évolution de l’univers tout entier. Grâce à nos observations, nous savons que l’univers primitif était très homogène partout, à l’exception de petites fluctuations de température ici et là (voir illustration ? Rayonnement cosmique de fond ?). C’est à partir de ces infimes fluctuations qu’est apparue, au cours d’une très longue période (plus de 13 milliards d’années), toute la structure de l’Univers. Voici comment cela s’est passé : les fluctuations de température vont de pair avec de légères différences de densité. À certains endroits, il y avait donc un tout petit peu plus de matière, et à d’autres, moins. Là où il y avait plus de matière, celle-ci s’est affaissée sous l’effet de la gravité et a peu à peu formé des étoiles. Les amas d’étoiles ont ensuite donné naissance à des galaxies.

Mais d’où provenaient ces fluctuations de température initiales ? Nous constatons qu’elles existaient, mais nous aimerions savoir pourquoi. Pour cela, nous devons nous pencher sur la principale caractéristique de notre univers, à savoir son expansion. Au tout début, cette expansion était bien plus marquée qu’aujourd’hui, et il est même possible que l’univers primitif se soit étendu à une vitesse extrême – c’est ce qu’on appelle le modèle inflationniste. Une telle phase inflationniste nécessite toutefois un certain type de matière. Supposons simplement que cette matière ait existé. Elle était alors, comme tout le reste, constituée de quanta, et c’est leur énergie qui a déterminé le rythme de l’expansion. Il faut se représenter cela comme un immense essaim de quanta d’inflation répartis dans tout l’univers.

Mais l’énergie de ces quanta n’était pas la même partout. Là encore, comme nous l’avons vu, leur amplitude comportait une petite part de hasard. L’énergie des quanta d’inflation a donc légèrement fluctué d’un endroit à l’autre, et il est même possible de calculer l’amplitude typique de ces fluctuations. Au quotidien, toute la matière qui nous entoure (et qui est en nous) subit également de telles fluctuations, mais nous ne les remarquons pas vraiment, car elles s’équilibrent à long terme. Mais lors de l’expansion fulgurante de l’univers primitif, il en allait autrement : ces fluctuations ont été amplifiées. Elles ont eu pour conséquence que l’univers s’est étendu un peu plus vite à certains endroits, et un peu plus lentement à d’autres.

Quel en a été le résultat ? Là où l’univers s’est étendu un peu plus vite, il est également devenu un peu moins dense. Et là où il s’est moins étendu, il est resté plus dense, de sorte que les premières étoiles ont pu se former par la suite dans ces régions. Ces variations de densité ont également entraîné des variations de température. Les premières variations de température que nous pouvons observer dans l’univers pourraient donc trouver leur origine dans des fluctuations quantiques. Si cela s’avère exact, nos ancêtres les plus lointains étaient donc ces minuscules fluctuations quantiques !

Mais allons encore plus loin. Si les règles de la théorie quantique sont universellement valables, alors même l’espace et le temps devraient présenter de telles fluctuations. C’est là que nous en arrivons à la question qui m’intéresse le plus dans mes recherches : l’espace et le temps eux-mêmes auraient-ils pu naître de fluctuations quantiques ? L’espace et le temps ont-ils pu naître du non-espace et du non-temps ? Si tel est le cas, notre univers serait totalement clos sur lui-même, puisqu’il disposerait de son propre espace et de son propre temps. Il n’y aurait alors rien au-delà de l’univers. Ni rien devant lui. Et en réalité, nous ne devrions alors même pas parler de « derrière » et de « devant » l’univers, car ces notions n’existeraient tout simplement pas. La manière dont cela pourrait fonctionner a fait l’objet de recherches intensives au cours des quatre dernières décennies. Mais l’espace disponible ici n’est pas tout à fait suffisant pour en parler…