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    Et si l'univers était éternel ?  
    Adeline Buzzi & Marcus Chown - Le monde des sciences, no. 7 - 2013-02-01      
    Un siècle d'existence à peine, et voici que la cosmologie moderne est déjà le terrain d'une lutte sans merci.  
    Au confluent de la science, de ses frontières, mais aussi des croyances et cultures personnelles de chacun, la question des origines de l'univers alimente les débats les plus passionnés. De plus, la fin d'un consensus scientifique abusivement dominant a permis l'émergence d'une myriade de nouvelles idées. Où en sont exactement les cosmologistes aujourd'hui ? L'univers a-t-il eu un commencement? Qu'y avait-il "avant" ? Et si l'univers était éternel ?  
   

Émergence de la théorie du Big Bang

 
   

Le début d'un long débat

 
    En cosmologie scientifique, la question des origines n'est pas neuve. Voilà presqu'un siècle qu'elle tourmente les physiciens. En 1916. Einstein vient à peine d'achever sa nouvelle théorie de la gravitation, la relativité générale, qu'il décide d'en appliquer les équations au cosmos tout entier. Il espère ainsi prédire le destin de notre univers. Parmi les nombreuses solutions de ses équations. s'en trouve une qui décrit un univers inchangeant et éternel. Une force répulsive, exercée par le vide et représentée par la désormais célèbre constante cosmologique, y contrebalance la tendance naturelle de l'univers à se contracter sous le poids de son contenu. Einstein est profondément convaincu que l'univers est statique et ne possède ni début ni fin; entre toutes, c'est donc cette solution qu'il choisit.  
   

Premiers signes d'une origine

 
    Pourtant, quelques années plus tard, une série d'observations le pousseront à regretter ce choix. En 1929, l'astronome américain Edwin Hubble constate que les galaxies, qui baignent dans l'espace, se fuient les unes les autres. Pour lui, une seule explication est possible : l'univers est en expansion. Comme du pain cuisant au four, l'espace enfle et la distance entre tous les objets qu'il contient augmente peu à peu. S'il est en expansion aujourd'hui, l'univers a forcément été plus petit par le passé. En remontant le fil du temps, on arrive alors à un instant où il était entièrement contenu dans un volume microscopique : le Big Bang. On y trouve le début de la physique et, semble-t-il, l'origine de l'univers. Une théorie complète sera construite, par la suite, autour de l'instant initial. L'univers y est décrit comme étant apparu voici 13,7 milliards d'années dans un état très dense et très chaud, Il se serait ensuite peu à peu étendu, pour finalement atteindre sa physionomie actuelle. Toutefois cette théorie, tout en répondant à certaines questions, en soulève de nombreuses autres : qu'est-ce qui a amené l'univers à exister ? Peut-on vraiment parler de commencement ? Y a-t-il eu un "avant" ?  
   

Théorie de l'état stationnaire

 
    Dès lors, nombreux seront les cosmologistes à repousser celte nouvelle vision du monde. Ils lui préféreront des univers sans début ni fin. plus raisonnables à leurs yeux . En 1918. Fred Hoyle. Hermann Bondi et Tommy Gold imaginent, par exemple, leur théorie de la création continue. Les effets de l'expansion, qui tendent à augmenter l'espace vide entre les galaxies, y sont contrebalancés par une création continue de matière. L'univers ressemble alors, depuis toujours et pour toujours, à ce qu'il est aujourd'hui.  
   

Avantage à l'oeuf cosmique

 
    Il faudra les apports conjugués des observations et de la théorie pour mettre en défaut ce nouveau modèle et donner son importance à celui du Big Bang. Stephen Hawking et Roger Penrose, à l'époque tout jeunes théoriciens de l'université de Cambridge, démontrent que, lorsqu'on remonte le film de l'expansion, il est impossible d'éviter un point ultime où les équations de la physique cessent de fonctionner. Cet instant ne peut alors correspondre qu'au début de l'univers. Par ailleurs, la découverte en 1964 du fond diffus cosmologique (rayonnement électromagnétique émis 380'000 ans environ après le Big Bang, qui nous parvient aujourd'hui très dilué et refroidi par l'expansion, et qui avait été prédit par la théorie du Big Bang), si caractéristique d'un univers ayant connu un état initial dense et chaud, élève alors définitivement la théorie du Big Bang au rang des modèles scientifiques sérieux.  
   

Trois possibilités d'univers éternel

 
    Il existe aujourd'hui plusieurs théories décrivant un univers qui existe depuis toujours. Chacune, toutefois, a ses défauts.  
   

Univers cycliques

 
    Plusieurs espaces-temps existent dans un espace de dimension plus grande. Ils entrent régulièrement en collision et génèrent à chaque fois un Big Bang.  
   
 
   

Inflation éternelle

 
    Des univers-bulles apparaissent, depuis toujours et pour toujours, à partir des points du vide quantique primordial.  
   
 
   

Univers émergent

 
    L'univers existe depuis toujours dans un état microscopique. Il se met soudain à enfler, et atteint ainsi son aspect actuel.  
   
 
   

 

 
   

Le retour des univers éternels ?

 
    Ces succès de la théorie du Big Bang (et les nombreux autres qui suivirent) auraient pu clore le débat entre ses partisans et ses opposants. Cependant, les questions demeurent et les passions qu'elles déchaînent poussent, encore et toujours, certains cosmologistes à envisager des alternatives. C'est ainsi qu'on assiste, aujourd'hui, à un renouveau des théories d'univers éternels.  
   

Le vide et l'inflation

 
    Jusqu'alors, la théorie de la naissance de l'univers avait été élaborée sans que soient pris en compte les effets du vide sur l'espace. Mais en physique, tout vide n'est jamais vraiment vide; il fluctue. Des effets quantiques amènent des particules à y apparaître et disparaître sans cesse, ce qui a pour effet de dilater à chaque fois un peu l'espace.  
    Quelques fractions de seconde après le Big Bang, l'espace est rempli d'un fluide quantique. Soudain, une de ses fluctuations se met à croître. Plus elle enfle, plus il y a de vide pour la faire enfler davantage. En une bribe de seconde. ce point, qui contient notre univers "observable", gonfle de façon démesurée, passant d'une dimension infime à une taille gigantesque. Cette phase de l'histoire de l'univers s'appelle l'inflation.  
   

Inflation éternelle

 
    Mais, il n'y a aucune raison qu'un seul des points du fluide primordial ait enflé de la sorte. Comme à la surface d'une eau bouillonnante, une infinité d'univers-bulles ont ainsi pu être créés, chacun trouvant son origine au début de sa propre inflation. Quant à l'espace dans son ensemble, puisque des bulles d'univers y apparaissent sans cesse, il semble n'avoir plus ni début ni fin. Dans cette théorie de l'inflation éternelle, l'univers est atemporel.  
    Pourtant, ce modèle ne parvient pas à dépasser les problèmes liés au commencement. Trois cosmologistes, Alexander Vilenkin (université de Tufts), Alvin Borde (Southampton College, New York), et Alan Guth (Massachusetts Institute of Technology), ont en effet montré qu'il présente malgré tout une origine temporelle. S'ils souhaitent passer outre les problèmes posés par l'origine cosmique, les cosmologistes doivent donc se tourner vers d'autres théories.  
   
 
   

Depuis un siècle, la question des origines est au centre des débats les plus passionnés. Et si l'origine, si elle existe, était condamnée à rester cachée dans les brumes du temps ?

 
   

Univers cycliques…

 
    Parmi les autres modèles actuels d'univers éternels, on rencontre également les univers cycliques, L'un de ces scénarios, né de la théorie des cordes, a été développé par Neil Turok (Institut Perimeter pour la Physique Théorique, Canada), et Paul Steinhardt (université de Princeton). Notre univers observable à quatre dimensions y est contenu sur un feuillet, appelé "brane", plongé dans un "super-univers" de dimension plus grande. Il ne s'y trouve pas seul, mais est entouré d'une multitude d'autres branes qui, comme lui sont libres d'y bouger. Deux branes voisines entrent alors régulièrement en collision, et l'énergie du choc, gigantesque, est convertie en matière et en rayonnement : tout se passe comme si un Big Bang s'était produit. Les cycles se répètent, et on pourrait penser que l'origine et ses problèmes ont disparu. Pourtant, Vilenkin et sa collaboratrice Audrey Mithani, ont montré que, dans ce type de scénario, la matière sur les branes s'étend davantage à chaque Big Bang. Aussi, si on remonte dans le temps, on ne peut, là non plus, éviter une singularité originelle.  
   

Et univers émergents

 
    Loin de se décourager, les chercheurs Georges Ellis (université de Cape Town. Afrique du Sud), et Roy Maartens (université de Portsmouth. Angleterre) ont envisagé un troisième scénario. Dans cette théorie, élaborée, elle aussi, dans le contexte de la théorie des cordes, tout commence par un tout petit univers statique. en sommeil depuis toujours. Soudain, une inflation s'y produit le menant jusqu'à sa taille et son aspect actuel.  
    Bien qu'il semble difficile, alors, d'y trouver un début, Vilenkin et Mithani pointent, là encore, une faiblesse de la théorie. Lorsqu'on prend en compte les effets quantiques, rien ne garantit plus la stabilité de cet univers. Il peut s'effondrer à n'importe quel moment. Étant donné la quantité infinie de temps qui y est disponible, ils estiment même cela inévitable. Un univers émergent, selon eux, ne peut donc pas avoir existé depuis toujours.  
   

Une origine cachée

 
   

Une origine si lointaine…

 
    Finalement, l'univers est-il éternel ou non ? Il semblerait que, quels que soient leurs efforts, les cosmologistes finissent toujours par se trouver nez-à-nez avec son origine. Selon Vilenkin et Mithani, cette inéluctabilité est l'indice de l'existence effective d'une époque primordiale. Quant aux questions soulevées, il est certain pour eux que c'est de la théorie quantique que viendront les réponses. C'est en effet la seule théorie qui permette, par le biais de ses fluctuations propres, de faire "apparaître" quelque chose à partir de rien. Pour autant, est-il raisonnable. dans ce cas, d'envisager le début de l'univers ?  
    Peu de temps après la publication des conclusions de Vilenkin et Mithani, le physicien Leonard Susskind (université de Stanford} a apporté son éclairage sur la question. Pour présenter ses arguments, il utilise une image. Transportons-nous dans une ville construite sur une ligne, infinie à droite, et possédant un bord à gauche. Imaginons que cette ville abrite une infinité d'habitants, disposés uniformément sur la ligne. Tous possèdent un télescope identique, et cherchent à observer le bord, à gauche de la ville. Il est évident que seule une petite partie d'entre eux y parviendra : ceux qui en sont suffisamment proches. La très grande majorité, située trop loin, ne parviendra à observer, en regardant vers la gauche, que l'infinité de la ville.  
   

Qu'on ne peut pas la voir !

 
    Selon Susskind, il en va de même pour l'univers. Quand bien même, il aurait un début, ce dernier remonte, sans doute, à si longtemps qu'aucun indice n'a survécu jusqu'à aujourd'hui Vilenkin le concède : "Cela est ironique. L'univers a peut-être un début, mais nous ne pourrons jamais savoir à quoi il a ressemblé…". Le commencement, s'il existe, pourrait être perdu dans les brumes du temps. Voilà sans doute la dernière chose sur laquelle les physiciens pouvaient s'entendre. Quand nous en venons à parler des origines de l'univers, nous en sommes toujours au début.  
       
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