cosmologie quantique

Newton nous a légué un monde où les corps se déplacent dans le vide et où les horloges battent à l'unisson pour tous. Pendant trois siècles, cette image a fonctionné sans faille. Mais elle repose sur de nombreux échafaudages invisibles : la position absolue, la direction « haut-bas », un rythme temporel unique pour tout l'univers.

Les trois premières minutes après la naissance du monde : une cuisine cosmique où la nature a préparé les noyaux atomiques les plus légers. La recette est dictée par la gravité : elle contrôle le rythme de refroidissement du « bouillon » chaud de particules.

Photographier les ailes d'un colibri avec un appareil photo ordinaire donne une tache floue. Pour obtenir une image nette, on prend de nombreuses photos rapides sous différents angles et on les assemble — c'est ainsi que l'on crée un « cliché » quantique.

Une onde quantique évoque une photo en pose longue : tout est flou, mais c'est précisément ce flou qui révèle le mouvement. D'ordinaire, on considère ces ondes figées comme une abstraction commode.

Depuis l'enfance, nous avons l'habitude de penser que l'espace est infini et isotrope. Mais Albert Einstein et Georges Lemaître se demandaient déjà : l'Univers ne serait-il pas refermé sur lui-même, comme un ruban de Möbius ou un tore tridimensionnel ?

Un bâtisseur vérifie la solidité d'une arche non pas en passant en revue toutes ses formes possibles, mais en la déplaçant mentalement un peu et en observant combien de forces sont dépensées. C'est à peu près ainsi que fonctionne le principe du travail virtuel en mécanique. Les auteurs de ce nouveau travail ont transposé cette approche à la géométrie même de l'espace-temps.

Depuis la fin du XXe siècle, on sait que l'expansion de l'Univers s'accélère : les galaxies s'éloignent de plus en plus vite. Cette découverte a valu le prix Nobel à Adam Riess, Saul Perlmutter et Brian Schmidt.

Les fluctuations quantiques — comme le grésillement d'un poste de radio mal réglé — emplissaient l'Univers naissant.

Depuis près d'un siècle, les cosmologistes se heurtent à une énigme : qu'est-ce qui fait que l'Univers s'étend de plus en plus vite ? La réponse standard — l'énergie noire — engendre un désaccord colossal entre la densité théorique du vide et les observations. Mais il existe une autre voie, qui bouleverse la causalité.

La fin de l'Univers n'est pas qu'une simple obscurité. Si l'énergie noire le déchire en lambeaux ou s'il s'effondre à nouveau en un point semblable à un Big Bang inversé, une singularité survient — un moment où la physique conventionnelle rend l'âme. On a longtemps cru que tout disparaissait dans cet incendie cosmique.

La première image qui vient à l'esprit quand on pense à la naissance de l'univers, c'est une explosion. Mais la cosmologie moderne peint un tableau plus raffiné : une naissance à travers le goulot d'un verre à vin.

La physique ressemble souvent à la construction d'un navire géant — l'Univers. Les ingénieurs-physiciens ne se sont pas encore mis d'accord sur les plans de base.

En physique, il y a une vieille douleur. La relativité générale décrit le début de l'Univers comme un point — une singularité où les équations s'effondrent et où le volume devient nul.

L'Univers ne supporte pas la monotonie. Il y a un siècle, Edwin Hubble et Georges Lemaître nous ont offert une image élégante : un cosmos en expansion, lisse comme la surface d'un ballon gonflé.

L'Univers est comme un ballon qui se gonfle. La mécanique quantique interdit de mesurer avec précision à la fois sa taille et la vitesse à laquelle il se dilate. Ce principe imprègne le cosmos : une nouvelle équation affirme que l'expansion de l'Univers et sa taille sont liées par une incertitude fondamentale.

Un élastique que l'on étire dans différentes directions ne se comporte pas comme une feuille de papier entière. Si l'on tire sur un bord, la déformation ne se propage pas uniformément, mais semble s'attarder sur certaines zones.

On gonfle un ballon, mais à chaque pression sur la pompe, le caoutchouc ne se contente pas de s'étirer — il modifie légèrement son élasticité. De manière similaire, la gravité fonctionne dans ce nouveau modèle : non pas comme une scène rigide pour le spectacle cosmique, mais comme un matériau vivant qui réagit à chaque parcelle de matière.

L'Univers est une toile immense faite de matière noire invisible et de galaxies, tendue par l'expansion de l'espace. Les neutrinos, ces particules fantômes presque insaisissables, s'accrochent à peine aux fils, mais leur masse totale modifie imperceptiblement la tension de tout le réseau.

Tout a commencé par d'infimes scintillements quantiques sur la toile primitive. L'expansion de l'univers — l'expansion avalancheuse proposée par Alan Guth — a étiré ces touches jusqu'à la taille des galaxies.

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.

Dans une chambre d'hôpital, il fait +40°C, dans une autre +10°C, et en moyenne, on obtient +25°C. Si la température influençait quelque chose de manière non linéaire — par exemple, la vitesse de prolifération des bactéries — la valeur moyenne donnerait une prévision erronée.

L'Univers est en expansion, et les scientifiques veulent savoir à quelle vitesse et de quoi il est composé. Pour cela, ils comparent les données provenant d'explosions d'étoiles lointaines, d'ondes sonores dans l'Univers primordial et de la faible lueur résiduelle du Big Bang. Chaque ensemble de données est comme une pièce de mosaïque, et il faut les assembler pour former une image d'ensemble.

La lumière des galaxies lointaines, en traversant les amas de matière, se déforme — tout comme le fond d'une piscine se brise sous la ondulation de l'eau. Les astronomes mesurent ces infimes courbures de forme et obtiennent une carte de la « ondulation » gravitationnelle.

Dans le monde familier, il y a trois dimensions. Mais les physiciens envisagent l'existence de directions cachées, repliées sur elles-mêmes. Si l'une d'elles est enroulée en bouteille de Klein — une surface sans intérieur ni extérieur — les lois fondamentales se brisent.

L'Univers primordial était loin d'être parfait : certaines régions s'étiraient plus vite que d'autres, créant des plis et des distorsions. Mais le rebond quantique — le passage de la contraction à l'expansion, provoqué par les lois du monde microscopique — corrige tout.

L'horloge murale de la cuisine tic-taque, et chaque battement nous éloigne inexorablement du petit-déjeuner vers le déjeuner. C'est si habituel que cela semble être une loi de la nature, mais la physique dit autre chose. Dans les équations d'Einstein, le temps est réversible : on peut rembobiner le film, et aucun cadre ne révèle la supercherie.

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.