dimensionnalité

La lumière issue de l'époque la plus chaude de l'Univers voyage vers nous depuis près de 14 milliards d'années. C'est le fond diffus cosmologique — une faible lueur qui remplit tout le ciel.

Dans la vision habituelle du monde, un événement est un point sur la carte de l'espace-temps : « ici et maintenant », sans taille ni structure interne.

Le modèle standard ΛCDM (qui inclut l’énergie noire et la matière noire froide) est la partition de la symphonie cosmique. Il décrit comment, après le Big Bang, l’espace s’est dilaté. Comment la matière noire s’est agglomérée. Comment les galaxies se sont allumées.

L'Univers primordial n'est pas simplement un bouillon chaud de particules. Dans les premières fractions de seconde, la symétrie miroir aurait pu être brisée : le monde et son reflet ne seraient plus tout à fait identiques.

Le plan technique d'un gratte-ciel comporte toujours un chiffre : la charge maximale sur les fondations — disons 500 kilopascals. Les équations d'Einstein dans un espace-temps courbe imposent une limite similaire à la « charge de force » à l'intérieur des étoiles, des planètes et de tout autre amas de matière.

La gravité est une force étonnamment faible. Un petit aimant retient un trombone contre l'attraction de toute une planète. Les physiciens cherchent depuis longtemps la cause de cette faiblesse, et l'une des pistes nous mène vers des dimensions cachées.

Une surface noire et froide – voilà à quoi ressemblait depuis des milliards d'années l'océan d'énergie noire, cette substance invisible qui accélère l'expansion de l'univers. Mais le spectrographe DESI a capté une ride à peine perceptible.

Dans le grand orchestre de l'univers, chaque instrument a son propre rythme. Les électrons dans l'atome effectuent des sauts quantiques en femtosecondes, les neurones du cerveau échangent des signaux en millisecondes, et un humain a besoin de dixièmes de seconde pour prendre…

Baissez la lumière. Sur scène, un théâtre d'ombres où il n'y a que r marionnettistes — mais l'écran obéit aux lois de la courbure de l'espace-temps hyperbolique. Chaque geste de la main engendre un motif que les mathématiciens appellent un groupe discret d'isométries.

Dans les premiers instants après sa naissance, l'univers aurait pu être multidimensionnel — comme une feuille de papier qui aurait soudainement acquis une épaisseur. Cette « épaisseur » — les dimensions supplémentaires — a commencé à se dilater rapidement. Cette croissance ultra-rapide est appelée inflation.

L'Univers se comporte comme une bulle de savon qui gonfle dans une mousse multidimensionnelle. Le modèle de la bulle sombre explique pourquoi elle s'étend de plus en plus vite : la bulle d'espace-temps grandit, et sa membrane acquiert une épaisseur minuscule — environ un micron, comme une bactérie.

L'Univers s'étend de plus en plus vite grâce à l'énergie noire. Mais les mesures de cette vitesse donnent des résultats contradictoires. Une nouvelle explication : dans le passé, l'énergie noire aurait agi comme un frein, ralentissant la fuite des galaxies, avant de passer à l'accélération. Comme une voiture qui recule d'abord, puis fonce vers l'avant.

L'Univers est en expansion, et son histoire comporte deux épisodes étonnants qui ne cadrent pas encore avec un modèle simple. Le premier est une courte période de jeunesse où tout s'éloignait plus vite que prévu, comme si quelqu'un avait appuyé sur l'accélérateur. Le second est l'accélération actuelle, comme si la même pédale était de nouveau enfoncée, mais plus doucement.

Un ballon de baudruche ne se dégonfle pas d'un seul coup : d'abord, des creux apparaissent à sa surface, qui courent, fusionnent, et finalement le ballon se ratatine en un point. C'est à peu près ce que font les parois de domaine – de fines cloisons qui divisaient l'espace dans les tout premiers instants après le Big Bang.

L'Univers est un livre fini. Son expansion accélérée, alimentée par l'énergie noire, scelle les pages lointaines, les transformant en chapitres inaccessibles. L'expansion accélérée dessine un horizon, comme pour un trou noir : ce qui se trouve au-delà est perdu.

Jetez une dizaine de pièces sur une table. Le nombre de combinaisons de piles et de faces dépasse à peine le millier. Pour deux dizaines de pièces, c'est déjà un million. Le nombre croît comme 2 puissance le nombre de pièces, et c'est rapide. Mais les systèmes quantiques sont bien plus riches.

Si l'on jette une poignée de pièces dans une boîte compartimentée, chacune tombe dans son alvéole et y reste pour toujours. C'est à peu près ce qui se passe avec des atomes dans un réseau optique spécial lorsqu'on les excite avec un laser.

Essayer de supprimer le bruit de fond d'une pièce en ajoutant un contre-son se termine par un hurlement des haut-parleurs si le schéma comporte une erreur. Un raté similaire s'est produit avec la théorie qui prétendait éliminer le principal grondement du cosmos — l'énergie noire, inexplicablement faible.

Si vous versez une poignée de perles colorées sur le sol, elles se répartiront différemment : certaines formeront des tas, d'autres rouleront dans les coins. C'est à peu près ainsi que les galaxies de différentes couleurs – bleues, vertes et rouges – sont dispersées dans l'Univers.

L'univers pourrait être né d'un état instable — le faux vide. C'est comme un verre d'eau refroidi sous zéro : la moindre secousse le transforme en glace. De même, dans le faux vide, une minuscule bulle de vrai vide peut s'étendre jusqu'à devenir un univers entier. Son destin dépend de sa taille à la naissance et de la force avec laquelle les particules à l'intérieur sont liées entre elles.

Une étoile à neutrons est le résidu compressé d'un astre : une montagne de matière dans un volume minuscule. Si de la matière noire — cette substance invisible qui maintient les galaxies — s'y accumule, elle peut, sous certaines conditions, signer sa perte.

D'habitude, on considère que le nombre de dimensions est constant : longueur, largeur, hauteur. Mais dans le monde quantique, même cela peut être changeant. Une nouvelle théorie décrit des systèmes où la dimension n'est pas une constante, mais une propriété quantique capable d'être différente en même temps.

La nuit, un astronome pointe son télescope vers le bord de l'Univers visible et ne voit pas des étoiles, mais des ondulations – l'empreinte des tout premiers instants. Il sait que ces ondulations doivent obéir à des statistiques, comme la taille des gens dans une foule. Mais il n'a qu'une seule foule, et rien à quoi la comparer.

Deux coursiers partent d'une même ville dans des directions opposées. Une heure plus tard, chacun ouvre son enveloppe : l'une contient une feuille marquée « plus », l'autre « moins ». Comment ont-ils su qui recevrait quoi ?