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Alors, comment est-ce qu'on fabrique un univers, hein? C'est la grande question! Euh... Imaginez un peu, vous n'arriverez jamais, mais vraiment jamais, à vous représenter à quel point un proton est minuscule. C'est... tellement petit!
Un proton, c'est une des parties, mais vraiment minuscule, d'un atome, et les atomes eux-mêmes, bon, c'est petit, c'est clair. Mais à quel point un proton est petit? Eh bien, une goutte d'encre, vous voyez, la taille du point sur un "i", ça pourrait contenir, tenez-vous bien, à peu près cinq cent mille milliards de protons! Pour être un peu plus précis, c'est plus que le nombre de secondes dans... disons, quinze mille ans. Donc, on peut dire sans se tromper que les protons, c'est super, super minuscule.
Maintenant, imaginez, si vous pouviez (évidemment, vous ne pouvez pas), rétrécir un proton à un milliardième de sa taille normale. Vous voyez? Vous le réduisez dans un espace infime, genre pour le faire paraître énorme. Et puis, vous entassez environ trente grammes de matière dans ce tout, tout petit espace. Voilà. Vous êtes prêt à créer un univers!
Bon, je me doute bien que vous voudriez créer un univers qui se dilate, qui grandit. Mais si vous voulez un univers plus à l'ancienne, un univers de type Big Bang standard, il vous faudra autre chose, hein. En fait, il faudrait que vous ramassiez absolument tout ce qui existe – chaque particule, depuis maintenant jusqu'au tout début de l'univers – et que vous l'entassiez dans un endroit tellement minuscule qu'on ne peut même pas parler de taille. C'est ce qu'on appelle une singularité.
Dans les deux cas, préparez-vous à une vraie, une authentique explosion! Évidemment, vous voudrez vous mettre à l'abri, hein, pour observer le spectacle. Mais malheureusement, il n'y a nulle part où se mettre à l'abri parce qu'il n'y a pas d'endroit en dehors de la singularité. Quand l'univers commence à s'étendre, il ne s'étend pas vers l'extérieur, en remplissant un espace plus grand. L'espace lui-même, c'est lui qui le crée, au fur et à mesure qu'il s'étend.
C'est tentant de voir la singularité comme un point suspendu dans un vide noir et sans limites, mais c'est faux. Il n'y a pas d'espace, il n'y a pas de noir. La singularité n'a pas d'entourage, rien autour. Il n'y a pas d'espace qu'elle puisse occuper, pas d'endroit où elle puisse exister. On ne peut même pas se demander depuis combien de temps elle est là – est-ce qu'elle vient juste d'apparaître, comme une bonne idée, ou est-ce qu'elle a toujours été là, silencieuse, en attendant le bon moment? Le temps n'existe pas. Elle n'est pas issue d'un passé.
Et voilà, notre univers est né de rien.
En un instant, un moment de lumière jaillit. Tellement vite, tellement vaste, qu'il est impossible de le décrire. La singularité prend les proportions du ciel et de la terre, un espace inimaginable. Cette première seconde, pleine d'énergie (une seconde que beaucoup de cosmologistes passeront toute leur vie à diviser en portions de plus en plus petites) produit la gravité et les autres forces qui régissent la physique. En moins d'une minute, l'univers a déjà un diamètre de seize mille milliards de kilomètres et il continue à grandir à toute vitesse. Il y a une chaleur énorme, une température de dix milliards de degrés Celsius, assez pour déclencher des réactions nucléaires qui créent les éléments les plus légers – surtout de l'hydrogène et de l'hélium, avec un peu de lithium (environ un atome de lithium pour dix millions d'atomes). Après trois minutes, 98 % de la matière qui existe ou existera est déjà là. On a un univers! C'est un endroit formidable et, en plus, il est beau. Tout ça s'est fait à peu près le temps de préparer un sandwich.
La date de ce moment crucial est encore un sujet de débat, un peu. Est-ce que l'univers s'est formé il y a dix milliards d'années? Vingt milliards? Entre les deux? Les cosmologistes se sont disputés là-dessus pendant longtemps. On dirait qu'on s'accorde de plus en plus sur le chiffre de treize virgule sept milliards d'années, à peu près. Mais, comme on le verra plus tard, c'est super, super difficile à calculer, tout ça. En fait, on ne peut que dire que dans ce passé lointain, à un moment indéterminé, à cause de raisons qu'on ignore, un moment que la science appelle t=0 est arrivé. Et on est partis pour le voyage!
Évidemment, il y a un tas de choses qu'on ignore, et il y a un tas de choses qu'on pensait, ou qu'on a pensé pendant longtemps, savoir et qu'on ne savait pas en réalité. La théorie du Big Bang elle-même, c'est pas si vieux que ça, hein. L'idée a commencé à circuler dans les années 1920, et c'est un prêtre et savant belge, Georges Lemaître, qui a été le premier à formuler cette hypothèse. Mais ce n'est que dans les années 1960 que cette théorie est vraiment devenue populaire dans le monde de la cosmologie. Et ça s'est passé quand deux jeunes radioastronomes ont fait une découverte... disons, inattendue.
Ils s'appelaient Arno Penzias et Robert Wilson. En 1965, aux laboratoires Bell à Holmdel, dans le New Jersey, aux États-Unis, ils voulaient utiliser une grande antenne de communication, mais ils étaient constamment gênés par un bruit de fond – une sorte de sifflement continu, comme de la vapeur, vous voyez? Ce bruit était constant, pas du tout concentré. Il venait de toutes les directions du ciel, jour et nuit, toute l'année. Pendant un an, ces deux jeunes astronomes ont tout fait pour essayer de traquer et d'éliminer ce bruit. Ils ont testé tous les systèmes électriques. Ils ont remonté les instruments, vérifié les circuits, examiné les fils, nettoyé la poussière des prises. Ils sont montés dans l'antenne parabolique et ils ont recouvert de ruban adhésif toutes les coutures, tous les rivets. Ils sont remontés dans l'antenne avec des balais et des chiffons pour enlever soigneusement ce qu'ils ont appelé, dans un article, une "diélectrique blanche", plus communément... des fientes d'oiseaux! Mais tous leurs efforts ont été vains. Rien n'y faisait.
Ce qu'ils ne savaient pas, c'est qu'à cinquante kilomètres de là, à l'université de Princeton, une équipe de scientifiques dirigée par Robert Dicke était justement en train d'essayer de trouver ce que les deux astronomes voulaient éliminer. Les chercheurs de Princeton étudiaient une hypothèse formulée dans les années 1940 par un astrophysicien né en Union soviétique, George Gamow: si on regardait au plus profond de l'espace, on devrait trouver une sorte de rayonnement cosmique de fond, un reste du Big Bang. Gamow estimait que ce rayonnement, après avoir traversé l'immensité de l'univers, arriverait sur Terre sous forme de micro-ondes. Dans un article récent, il avait même suggéré qu'on pourrait utiliser un instrument pour y arriver, un instrument comme l'antenne Bell de Holmdel. Malheureusement, ni Penzias et Wilson, ni aucun des experts de l'équipe de Princeton n'avaient lu l'article de Gamow.
Le bruit que Penzias et Wilson entendaient, c'était exactement ce que Gamow avait prédit. Ils avaient trouvé le bord de l'univers, ou du moins la partie visible de l'univers, à quinze milliards d'années-lumière. Ils étaient en train de "regarder" les premiers photons – la lumière la plus ancienne de l'univers – et comme Gamow l'avait prévu, le temps et la distance les avaient transformés en micro-ondes. Alan Guth, dans son livre "The Inflationary Universe", propose une analogie pour bien situer cette découverte. Si on compare le fait de regarder au plus profond de l'univers à regarder du haut du 100e étage de l'Empire State Building à New York (en supposant que le 100e étage représente le présent et que le niveau de la rue représente le moment du Big Bang), alors, au moment où Penzias et Wilson ont fait leur découverte, la galaxie la plus lointaine qu'on avait observée se trouvait à peu près au 60e étage, et les objets les plus éloignés – les quasars – se trouvaient à peu près au 20e étage. La découverte de Penzias et Wilson nous a permis de progresser dans la connaissance de la partie visible de l'univers jusqu'à moins d'un centimètre du plancher.
Penzias et Wilson, toujours incapables de trouver la cause du bruit, ont téléphoné à Dicke, à Princeton, pour lui décrire le problème et lui demander s'il avait une explication. Dicke a tout de suite compris ce que les deux jeunes avaient découvert. "Zut alors, on s'est fait doubler!", a-t-il dit à ses collègues en raccrochant.
Peu de temps après, la revue "Astrophysical Journal" a publié deux articles: l'un, de Penzias et Wilson, décrivant leur expérience avec le sifflement; l'autre, de l'équipe de Dicke, expliquant sa nature. Même si Penzias et Wilson ne cherchaient pas le rayonnement de fond cosmique, même s'ils ne savaient pas ce que c'était quand ils l'ont trouvé, et même s'ils n'ont publié aucun article pour décrire ou expliquer sa nature, ils ont reçu le prix Nobel de physique en 1978. Les chercheurs de Princeton n'ont eu droit qu'à de la compassion. Selon Dennis Overbye, dans "Lonely Hearts of the Cosmos", Penzias et Wilson n'ont pas compris l'importance de leur découverte avant de lire un article dans le "New York Times".
Au fait, le rayonnement de fond cosmique, on l'expérimente tous. Allumez votre télé et mettez-vous sur une chaîne qui ne reçoit aucun signal. Environ 1 % des parasites que vous voyez à l'écran sont dus à ce vestige du Big Bang. Alors, la prochaine fois que vous vous plaignez de ne pas bien recevoir l'image, vous pouvez toujours dire que vous êtes en train de regarder la naissance de l'univers.
Bon, tout le monde appelle ça le Big Bang, la grande explosion, mais beaucoup de livres nous rappellent qu'il ne faut pas voir ça comme une explosion au sens habituel du terme. C'est plutôt une explosion soudaine, mais d'une ampleur et d'une dimension... inimaginables. Alors, quelle est la cause?
Certains pensent que la singularité était peut-être un reste d'un univers plus ancien, qui avait été détruit. Notre univers ne serait qu'un univers parmi une série d'univers, qui se succèdent, qui grandissent et qui meurent, comme des ballons sur une machine à oxygène. D'autres attribuent le Big Bang à ce qu'on appelle un "faux vide", ou un "champ scalaire", ou une "énergie du vide" – en gros, une substance ou quelque chose qui a introduit une certaine quantité d'instabilité dans ce qui n'existait pas à ce moment-là. Faire naître quelque chose de rien, ça paraît improbable, mais le fait est que rien n'existait et qu'aujourd'hui, il y a un univers. Alors, ça prouve bien que c'est possible. Il se peut aussi que notre univers ne soit qu'une partie de nombreux univers plus grands, de tailles différentes, et que des Big Bang se produisent sans arrêt, partout. Ou alors, avant ce Big Bang, le temps et l'espace avaient une forme complètement différente – une forme tellement différente qu'on ne peut pas l'imaginer – et le Big Bang représente une transition, le passage d'une forme qu'on ne peut pas comprendre à une forme qu'on peut presque comprendre. "C'est un peu comme les questions religieuses", a dit le cosmologiste de Stanford Andrei Linde au "New York Times" en 2001.
La théorie du Big Bang, elle, ne parle pas de l'explosion en elle-même, mais de ce qui s'est passé après. Et attention, juste après. Les scientifiques ont fait énormément de calculs, ils ont observé attentivement ce qui se passe dans les accélérateurs de particules, et ils pensent qu'ils peuvent remonter jusqu'à 10 puissance moins 43 secondes après l'explosion. À ce moment-là, l'univers était encore minuscule, il fallait un microscope pour le voir. Inutile de se prendre la tête avec tous ces chiffres incroyables, hein, mais de temps en temps, ça peut être utile d'en comprendre un, juste pour ne pas oublier à quel point c'est difficile à saisir, à quel point c'est étonnant. Alors, 10 puissance moins 43 secondes, ça fait 0,000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 1 seconde, soit un cent millième de milliardième de milliardième de milliardième de seconde. La plupart de ce qu'on sait, ou qu'on croit savoir, sur les débuts de l'univers, on le doit à la théorie de l'inflation, proposée pour la première fois en 1979 par un jeune physicien des particules. Il s'appelait Alan Guth, il travaillait à l'université de Stanford à l'époque, et maintenant il est au MIT. Il avait 32 ans et il reconnaissait lui-même qu'il n'avait jamais rien fait de très important avant ça. S'il n'avait pas eu l'idée d'assister à une conférence sur le Big Bang, il n'aurait probablement jamais eu cette idée géniale. Et la conférence, c'était Robert Dicke qui la donnait. La conférence a donné à Guth un intérêt pour la cosmologie, et surtout pour la formation de l'univers.
Finalement, il a proposé la théorie de l'inflation. Cette théorie dit que dans les instants qui ont suivi l'explosion, l'univers a connu une expansion soudaine et spectaculaire. Il n'a pas arrêté de grandir – en fait, il s'est emballé, il a doublé de taille toutes les 10 puissance moins 34 secondes. Tout le processus n'a peut-être duré que moins de 10 puissance moins 30 secondes – soit un millionième de milliardième de milliardième de seconde – mais l'univers est passé d'une taille qu'on pouvait tenir dans la main à une taille au moins 10 milliards de milliards de milliards de fois plus grande. La théorie de l'inflation explique les pulsations et les rotations qui ont rendu notre univers possible. Sans ces pulsations et ces rotations, il n'y aurait pas eu d'amas de matière, et donc pas d'étoiles, mais seulement du gaz flottant et des ténèbres éternelles.
Selon la théorie de Guth, la gravité est apparue en un cent millième de milliardième de milliardième de milliardième de seconde. Et quelques instants plus tard, l'électromagnétisme et les forces nucléaires forte et faible sont apparus – les éléments de base de la physique. Ensuite, sont apparues rapidement des masses de particules élémentaires – les éléments de base de la matière. De rien, tout à coup, il y a eu des quantités énormes de photons, de protons, d'électrons, de neutrons et de plein d'autres choses – selon la théorie standard du Big Bang, entre 10 puissance 79 et 10 puissance 89 de chaque.
Bien sûr, il est impossible de comprendre ces quantités. On peut juste retenir qu'en un instant, on a eu un univers immense – un univers tellement grand, selon la théorie, qu'il a au moins 100 milliards d'années-lumière de diamètre, mais peut-être n'importe quelle taille, jusqu'à l'infini – un univers parfaitement agencé, prêt pour la création d'étoiles, de galaxies et d'autres systèmes complexes.
De notre point de vue, ce qui est incroyable, c'est que ce résultat soit si parfait pour nous. Si l'univers avait été un tout petit peu différent – si la gravité avait été un peu plus forte ou plus faible, si l'expansion avait été un peu plus lente ou plus rapide – alors, il n'y aurait peut-être jamais eu d'éléments stables pour faire vous et moi, pour faire le sol sous nos pieds. Si la gravité avait été un peu plus forte, l'univers se serait effondré sur lui-même, comme une tente mal montée. Il n'y aurait pas eu les bonnes valeurs pour lui donner la taille, la densité et les éléments nécessaires. Mais si elle avait été un peu plus faible, rien ne se serait regroupé. L'univers serait resté monotone, dispersé, vide.
C'est une des raisons pour lesquelles certains experts pensent qu'il y a peut-être eu plein d'autres Big Bang, peut-être des milliards de milliards, répartis dans une éternité sans fin. Et la raison pour laquelle nous existons dans cet univers particulier, c'est que cet univers est adapté à notre existence. Comme l'a dit Edward P. Tryon, de l'université de Columbia: "Pour répondre à la question de savoir pourquoi il est né, mon avis, c'est que notre univers n'est qu'une des choses qui naissent de temps en temps." Ce à quoi Guth a ajouté: "Même si créer un univers est peu probable, Tryon a souligné que personne n'a compté le nombre d'échecs."
Martin Rees, l'astronome royal britannique, pense qu'il y a plein d'univers, probablement une infinité, chacun avec des caractéristiques différentes, des combinaisons différentes, et que nous vivons simplement dans un univers dont la combinaison est justement adaptée à notre existence. Il utilise l'exemple d'un grand magasin de vêtements: "Si vous avez beaucoup de choix, il n'est pas difficile de trouver un vêtement qui vous va. S'il y a beaucoup d'univers, et que chaque univers est régi par un ensemble de données différent, alors il y aura un univers dont l'ensemble de données particulier sera adapté à la vie. Et nous, par hasard, on est dans cet univers-là."
Rees pense que notre univers est régi par six données, et que si l'une de ces valeurs changeait, même de façon infime, les choses ne pourraient pas être ce qu'elles sont. Par exemple, pour que l'univers actuel puisse exister, il faut que l'hydrogène se transforme en hélium d'une manière précise et relativement stable – plus précisément, en transformant sept millièmes de sa masse en énergie. Si cette valeur était un peu plus faible – par exemple, si elle passait de sept millièmes à six millièmes – alors la transformation ne pourrait pas avoir lieu: l'univers ne serait composé que d'hydrogène. Si cette valeur était un peu plus élevée – disons, huit millièmes – alors la combinaison se produirait sans arrêt et l'hydrogène aurait déjà été épuisé depuis longtemps. Dans les deux cas, il suffirait d'une petite variation de cette donnée pour que l'univers tel qu'on le connaît et tel qu'on en a besoin n'existe pas.
Jusqu'à présent, on peut dire que tout s'est bien passé. À long terme, la gravité pourrait devenir un peu plus forte. Un jour, elle pourrait empêcher l'univers de se dilater, et le forcer à se replier sur lui-même, à s'écraser, et finalement à s'effondrer en une autre singularité. Et tout le processus pourrait recommencer. D'un autre côté, la gravité pourrait devenir trop faible, et dans ce cas, l'univers se dilaterait pour toujours, jusqu'à ce que tout s'éloigne de tout et qu'il ne soit plus possible d'avoir des interactions significatives. Et l'univers deviendrait un endroit très vide, inerte et sans vie. La troisième possibilité, c'est que la gravité soit juste ce qu'il faut – c'est ce que les cosmologistes appellent la "densité critique" – elle maintient l'univers dans une limite raisonnable et permet aux choses de continuer pour toujours. Les cosmologistes appellent parfois ça la "boucle d'or" – tout est juste comme il faut. (Pour être clair, ces trois possibilités sont respectivement appelées univers clos, univers ouvert et univers plat.)
Tôt ou tard, on se pose la question: si on arrivait au bord de l'univers et qu'on sortait la tête du rideau, qu'est-ce qui se passerait? Où serait notre tête (si elle n'est plus dans l'univers)? Qu'est-ce qu'on verrait de l'autre côté? La réponse est décevante: on n'arrivera jamais au bord de l'univers. Pas parce qu'il faut du temps pour y aller – même si c'est vrai, ça prend du temps – mais parce que, même si on allait tout droit vers l'extérieur, sans jamais s'arrêter, on n'arriverait jamais au bord de l'univers. Au contraire, on reviendrait à notre point de départ (et à ce moment-là, on serait probablement découragé et on abandonnerait). La raison, c'est que, selon la théorie de la relativité d'Einstein (dont on parlera plus tard), l'univers est courbé. Comment courbé? C'est difficile à imaginer. Pour l'instant, il suffit de savoir qu'on ne flotte pas dans une bulle qui se dilate. Plus précisément, l'espace est courbé, de manière à être à la fois infini et limité. Et on ne peut même pas dire que l'espace est en expansion, parce que, comme l'a souligné le prix Nobel de physique Steven Weinberg: "Le système solaire et les galaxies ne sont pas en expansion, l'espace lui-même n'est pas en expansion." Ce sont les galaxies qui s'éloignent les unes des autres à toute vitesse. C'est difficile à comprendre. Le biologiste J.B.S. Haldane a dit: "L'univers est non seulement plus étrange que ce qu'on imagine, mais il est plus étrange que ce qu'on peut imaginer."
Pour expliquer que l'espace est courbé, on utilise souvent une analogie. On essaie d'imaginer une personne qui vit dans un univers plat et qui n'a jamais vu une sphère, qui arrive sur Terre. Peu importe la distance qu'elle parcourt à la surface de cette planète, elle n'arrivera jamais au bord. Et elle finira probablement par revenir à son point de départ. Elle sera bien sûr complètement perdue et elle ne comprendra pas ce qui se passe. Eh bien, notre situation dans l'espace est exactement la même que celle de cette personne. Sauf qu'on est encore plus perdus qu'elle.
De la même façon qu'on ne peut pas trouver le bord de l'univers, on ne peut pas non plus se tenir au centre de l'univers et dire: "C'est ici que tout a commencé. C'est le centre de tout." On est tous au centre de tout. En fait, on n'en est pas sûrs. On ne peut pas le prouver avec des mathématiques. Les scientifiques se contentent de supposer qu'on est bien au centre de l'univers – imaginez ce que ça voudrait dire! – mais ce phénomène est le même pour tous les observateurs, partout. Mais vraiment, on n'en est pas sûrs.
D'après ce qu'on sait, depuis sa formation, l'univers ne s'est développé que sur une distance parcourue par la lumière en quelques milliards d'années. Cet univers visible – celui qu'on connaît et dont on parle – a un diamètre de 150 millions de milliards de milliards (soit 1 500 000 000 000 000 000 000 000) de kilomètres. Mais selon la plupart des théories, l'univers entier – parfois appelé le méta-univers – est encore bien plus vaste. Selon Rees, le nombre d'années-lumière qui nous séparent du bord de cet univers plus grand et invisible ne se représente pas "avec dix zéros, ni avec cent zéros, mais avec des millions de zéros". En bref, l'espace existant est plus grand que ce que vous imaginez, et vous n'avez pas besoin d'imaginer qu'il y a de l'espace en dehors de l'espace.
Pendant longtemps, la théorie du Big Bang avait un gros point faible, et beaucoup de gens ne comprenaient pas: elle n'expliquait pas comment on est arrivés là, tout simplement. Même si 98 % de toute la matière existante a été créée par le Big Bang, cette matière était entièrement composée de gaz légers: l'hélium, l'hydrogène et le lithium dont on a parlé plus haut. Aucun des atomes de matière lourde – le carbone, l'azote, l'oxygène et tout le reste, qui sont essentiels à notre existence – n'a été créé pendant la formation de l'univers. Mais – et c'est là le problème – pour créer ces éléments lourds, il faut absolument la chaleur et l'énergie dégagées par le Big Bang. Or, le Big Bang ne s'est produit qu'une seule fois, et il n'a pas produit d'éléments lourds. Alors, d'où viennent-ils? Et ce qui est amusant, c'est que la personne qui a trouvé la réponse à cette question est un cosmologiste qui méprisait complètement la théorie du Big Bang, et qui a même inventé ce nom pour se moquer d'elle.
Mais on en parlera bientôt. Avant de parler de comment on est arrivés là, on va peut-être prendre quelques minutes pour réfléchir à ce que veut dire "là", hein. Ça peut être intéressant.