Qu’y avait-il avant le Big Bang ? Quelle est la source de l’ordre qui règne dans l’Univers ? Quel avenir cosmique nous attend ? Roger Penrose propose une nouvelle plongée dans les tréfonds des mystères de l’Univers et tente de répondre à ces trois questions fondamentales de la cosmologie.
Selon lui, l’Univers en expansion et en accélération pourrait créer les conditions pour qu’advienne un nouveau Big Bang. Passant en revue les modèles cosmologiques standards ou non, examinant ce qu’il en est des trous noirs ou du rayonnement cosmique et autres points clés de la physique contemporaine, il rejoint ainsi les spéculations ancestrales sur le cours du temps et les origines du monde.
Roger PENROSE
Les cycles du temps / Une nouvelle vision de l’Univers
Odile Jacob – 2013 – 260 pages
Cette œuvre d’un mathématicien également physicien ne peut s’apprécier pleinement qu’en prenant appui sur les nombreux schémas qui soutiennent et éclairent les idées abordées. Roger Penrose alliant à sa qualité d’expression écrite un talent de dessinateur qui permet de pénétrer en douceur dans les arcanes de la cosmologie, permettant ainsi d’éviter les annexes mathématiques qui s’adressent à un public plus averti, sans perdre pour autant la finesse des explications et la compréhension des concepts utilisés.
Un développement en trois parties, les deux premières étant une sorte de développement du chapitre 27 d’un ouvrage précédent traduit en français sous le titre de A la découverte des lois de l’Univers. La troisième étant les réflexions et propositions plus récentes de l’auteur sur notre Univers.
Tout débute par ce constat : tous les principes physiques sont en général des égalités entre deux quantités différentes. Conservation de l’énergie, de la charge électrique, … et la célèbre loi d’Einstein, E=mc².
« En revanche, le deuxième principe de la thermodynamique n’est pas une égalité, mais une inégalité, établissant pour l’essentiel qu’une certaine quantité appelée entropie d’un système isolé – qui est une mesure du désordre, ou du « hasard », du système – va croissant (ou tout du moins ne décroît jamais) au cours du temps…» Pour illustrer ce deuxième principe, Roger Penrose, déroule, comme au cinéma, le mouvement d’un œuf frais qui placé trop au bord d’une table roule et s’écrase en désordre au sol. Si un film avait été tourné il pourrait être visionné en inversant son sens de déroulement et l’œuf en désordre, écrasé au sol, se recomposerait et remonterait sur le bord de la table. Ce déroulement en complet accord avec les lois de la dynamique de Newton, et en complet désaccord avec notre expérience quotidienne illustre la différence entre des lois de physique où le temps est réversible et cette curieuse entropie qui croissant ne permet pas qu’en réalité les faits s’inversent comme dans un film. Ce qui conduit à la nécessité d’ajouter aux lois de la dynamique ce second principe qui n’est pas concerné par la réversibilité du temps.
Toute la réflexion cosmologique de Roger Penrose va se construire en prenant en compte la nécessaire croissance de cette entropie au fil du développement de notre Univers.
La théorie du Big Bang est généralement connue. Il y a 13,7 milliards d’années notre Univers naissait d’une « explosion » et avec lui l’espace et le temps. Une brutale accélération de sa croissance, dite l’inflation cosmique, s’est produite entre et seconde suivant le Big Bang avec un accroissement du diamètre de l’Univers compris entre et , et possiblement . Cette inflation étant nécessaire à ce « moment » pour expliquer l’uniformité de l’Univers primordial, tel que le modèle standard –issu de la Relativité générale et de la Mécanique quantique des champs se le représente – depuis l’expansion s’est poursuivie et même semble s’accélérer. Ce constat provient d’un fait d’expérience : le décalage vers le rouge des émissions des étoiles lointaines, décalage qui comme pour le bruit d’une voiture qui vous croise et s’éloigne passe de l’aigu au grave, indiquant ainsi qu’elle s’éloigne de nous ou nous d’elle… si bien que l’on peut considérer que l’Univers, telle la surface d’un ballon, grandit au cours du temps. Le centre géométrique du ballon, n’appartenant pas à la surface qui seule représente la totalité de l’Univers, ne correspond à aucun élément de cet Univers.
Et l’entropie ? On peut supposer qu’à son origine notre Univers dans son état initial de Big Bang occupait un minuscule volume dans lequel l’ensemble de la matière était regroupée, laissant à chaque particule peu d’espace et peu de liberté de mouvement (chaque trajectoire de particule se décrivant dans un espace abstrait dit espace des phases) ce qui correspond à une entropie très basse. L’expansion de l’Univers va augmenter la « liberté » des particules dont les possibilités de trajectoire vont se multiplier considérablement. Cette croissance entraîne une croissance de l’entropie, ou pour le moins sa non décroissance. Ce point, la faible entropie de l’Univers à sa naissance, fait la spécificité du Big Bang. Spécificité qui sera essentiellement étudiée dans la deuxième partie de l’ouvrage.
Ici, maintenant, 13,7 milliards après le début nous ne pouvons pas ne pas nous poser la question de la suite. Que va-t-il se passer ? L’aventure a-t-elle une fin ? Et si oui quand ?
Pour répondre à ces questions il est nécessaire de mieux connaître la forme géométrique de notre Univers. Ce fameux ballon en croissance est-il plutôt clos, fini, une sorte de sphère, ou est-il plat et infini, ou a-t-il la forme d’une selle de cheval infinie ? Ces images spatiales étant bien sûr à considérer dans le temps, fini ou infini. Plus exactement dans ce que l’on nomme depuis la Relativité restreinte d’Albert Einstein et surtout les travaux d’Hermann Minkowski, qui fut un de ses enseignants, l’espace-temps. L’espace-temps mis en évidence par Minkowski en 1908, montrant ainsi, au grand dam d’Einstein, que les fondements de la Relativité restreinte pouvaient s’intégrer dans une forme particulière de géométrie quadridimensionnelle. Cet espace-temps n’est pas l’empilement selon l’axe du temps d’une série d’espace à trois dimensions où pour chaque instant les événements seraient simultanés. Il est un quadriespace dans lequel en raison de la vitesse limitée et indépassable de la lumière, la simultanéité dépend des positions relatives des observateurs. Deux observateurs situés aux extrémités de la galaxie d’Andromède et vous observant commençant la lecture de ce texte situeraient cet événement en des temps très différents pour l’un et l’autre, non simultané pour eux. La géométrie de cet espace-temps se définit par sa courbure (comme dans un espace à trois dimensions). Si elle est positive il est fini et a projeté en trois dimensions la forme d’un ballon de rugby. Il est également fini dans le temps ce qui signifie que notre Univers se termine par un Big Crunch ! Pas d’affolement, nous serions environ aux deux tiers de son histoire … Si la courbure est nulle ou négative il est infini et son expansion accélérée va le refroidir de plus en plus…
Les mesures actuelles semblent indiquer un Univers plat. Semblent. Donc il pourrait aussi être avec une courbure légèrement positive, ou légèrement négative …. Cette dernière étant la préférée de Roger Penrose. C’est entre autre l’étude de l’explosion de supernovæ très lointaines qui laisse penser que l’Univers est entré dans une phase de croissance exponentielle. Cette phase peut être expliquée en modifiant les équations de la Relativité générale d’Einstein, en introduisant une constante cosmologique positive Λ et dont la valeur rendrait, pour le moment, la nature de la courbure tout à fait seconde. Einstein avait initialement introduit cette constante Λ dans ses équations, car il croyait en un univers statique, mais elle rendait cet univers instable, si bien qu’Einstein lui donna la valeur zéro et qualifia l’introduction de cette constante de « la plus grande erreur de sa vie. » Les observations astronomiques actuelles demandent une constante Λ différente de zéro. (Cette évolution dans le point de vue d’Albert Einstein est représentative du travail des physiciens, et de cet ouvrage, les lois de la physique, les équations ne sont en aucun cas des absolus, les unes et les autres sont soumises à la sanction de l’expérience et appelées à devenir des cas limites d’une théorie plus englobante, mais pour ce qui est du sens « quotidien » des unes et des autres, l’accord est rarement total entre les différents chercheurs. C’est là l’une des sources du merveilleux de la recherche scientifique. Sa poésie !)
Les observations sont alors conformes à la description donnée par la Relativité générale, à condition d’y joindre deux « ingrédients », initialement non prévus, la « matière noire » et l’ «énergie noire ». Le débat reste ouvert sur la nature de l’une et de l’autre, bien que la matière noire représente environ 70% de toute la matière de notre univers et que l’énergie noire – considérée comme répulsive – puisse peut-être, être un effet de la constante cosmologique Λ qui explique l’expansion de l’Univers. Noires l’une et l’autre parce que nécessaire à l’explication, mais aujourd’hui indétectables parce qu’inconcevables. (Einstein disait : « C’est la théorie qui décide de ce que nous sommes en mesure d’observer. »)
La théorie einsteinienne anticipait l’existence de trous noirs. Le trou noir étant l’effondrement sur elle-même d’une étoile ultra massive (dix fois ou plus la masse de notre soleil) qui ayant épuisé ses ressources en énergie nucléaire n’est plus soumise qu’à la force de gravité jusqu’au moment où la force de libération à la surface de l’étoile égale celle de la vitesse de la lumière, celle-ci ne peut plus alors s’échapper, donnant ainsi un trou noir. Plus rien ne sort ni particules, ni lumière. Et sa masse est telle qu’il attire la matière de son environnnement, accroissant ainsi sa force d’attraction. Ce trou noir peut sembler l’inverse du Big Bang, il n’en est rien, son entropie étant extraordinairement plus importante que celle du Big Bang.
Stephen Hawking en introduisant la théorie quantique des champs dans l’analyse des trous noirs montre que ceux-ci, si l’espace-temps à une courbure non nulle, ont une température inversement proportionnelle à leur masse. Dans un univers en expansion accéléré, qui donc se refroidit, il arrivera un moment où le trou noir sera plus chaud que son environnement et donc « s’évaporera », c’est ce qu’on nomme le rayonnement Hawking. Perdant de sa masse il se réchauffera et le processus d’évaporation se poursuivra jusqu’à la disparition complète du trou noir, dans un « pop ! » guère plus violent que « l’explosion d’un obus » et cela après un gogol-années d’attente, soit environ années !
Quid de l’entropie ? La disparition du trou noir dans son « pop » final diminue considérablement la taille de l’espace des phases (un espace mathématique, abstrait, qui contient toutes les trajectoires possibles pour toutes les particules considérées.) ce qui diminue l’entropie globale, sans affecter sa croissance locale loin du trou noir. Un peu à l’image d’une forte dévaluation de la monnaie, qui diminue la capacité d’achat des produits extérieurs, mais ne change rien pour le marché intérieur.
Étendu à l’ensemble des trous noirs cette phase apparemment finale de notre Univers – « l’ère de l’ennui profond » – où plus rien ne semble se produire d’intéressant assombrissait la réflexion de Roger Penrose : « Qui sera là pour mourir d’ennui tout au long de cette fin apparemment interminable ? »
Pas nous ! Seulement des particules sans masses comme les photons et les gravitons, pour qui, parce qu’ils sont sans masse, le temps ne s’écoule pas ! « L’éternité n’est pas un problème » pour ces particules. La « frontière » ultime de notre espace-temps, appelons la , n’est pas un obstacle pour elles. Elles peuvent pénétrer de l’ « autre côté » de . Et ce point est confirmé mathématiquement si notre fameuse constante cosmologique Λ est positive.
Mais, alors en se retournant vers le Big Bang, vers cette « frontière » du début, nommons la , n’est-il pas possible de se « porter » vers un « passé » antérieur à l’explosion initiale ?
« Ma proposition, dit Roger Penrose en 2010, est qu’il existe une région physique de l’espace-temps antérieur à (à peu près le début de notre Univers, le Big Bang), cette région correspond au futur lointain d’un univers précédent, et qu’il existe également une phase d’univers physiquement réel qui s’étend au-delà de notre (à peu près la fin de notre Univers), ce dernier devenant le big bang de la nouvelle phase. Dans ce cadre, je baptiserai la phase qui débute à notre et qui s’étend jusqu’à notre l’éon actuel. Il faut selon moi voir l’Univers dans son ensemble comme une longue variété conforme consistant en une succession (possiblement infinie) d’éons, chacun de ces éons décrivant l’histoire complète d’un univers en expansion. »
Cette représentation est nommée par Roger Penrose : « la cosmologie conforme cyclique ». Une question vient immédiatement : que se passe-t-il sur la « surface » de transition entre deux éons ? Ou plus exactement lors de la traversée de cette « surface » ?
« Ainsi, la nature détaillée du Big Bang de chaque éon y est complétement déterminée par ce qui s’est produit dans le lointain futur de l’éon précédent, ce qui doit entraîner des conséquences observationnelles. » nous dit Roger Penrose.
Plus précisément, il semble que la « bouffée » d’ondes gravitationnelles émise lors de la rencontre de deux trous noirs extrêmement massifs traverse la « frontière », comme un jet de particules. Si tel est le cas une trace en sera détectable dans le fond diffus cosmologique. Ce qui se traduira par un cercle contribuant soit positivement, soit négativement à la température moyenne du fond diffus sur l’ensemble du ciel.
Ce fond diffus cosmologique de l’Univers dont le satellite COBE, lancé par la NASA en novembre 1989, nous a donné de magnifiques images. Fond qui est créé par le rayonnement « fossile », de l’explosion à l’origine de notre Univers, en quelque sorte la mémoire de cette époque, même s’il ne coïncide pas exactement avec le début, quelques milliers d’années d’écart …
En Mai 2008 Penrose s’adresse à David Spergel de l’Université de Princeton, spécialiste mondialement reconnu du fond diffus, pour vérifier ses hypothèses. Un premier résultat encourageant, mais rien de déterminant. L’hypothèse n’est ni confirmée, ni invalidée. Elle permet cependant, entre autres, de se débarrasser de l’inflation cosmique, évoquée au début de ce texte, qui pour Roger Penrose est une « idée … fondamentalement erronée. » Erronée parce qu’elle ne rend pas compte de la faiblesse de l’entropie au début de l’Univers. Faiblesse qui pour lui s’explique par la non activation des « degrés de liberté gravitationnels » c’est-à-dire que tout se passe comme si la gravitation à ce moment était inopérante, parce que la température était si élevé qu’elle fournissait des énergies bien supérieures à la valeur du Higgs (cf. l’expérience du CERN en 7/2012) et donc les particules étaient sans masse. L’afflux des particules sans masse de l’éon précédent suffit à rendre compte dans le nôtre de la régularité de ses débuts sans être obligé d’imaginer une inflation cosmique – qui se serait produite entre et seconde suivant le Big Bang avec un accroissement du diamètre de l’Univers compris entre et , et possiblement – qui rende compte de cette régularité.
De belles solutions théoriques, des incertitudes expérimentales, ainsi va la vie des chercheurs, mais tout semble indiquer « qu’il sera possible avant longtemps de se prononcer de façon définitive sur le statut physique de la cosmologie conforme cyclique. »
En clin d’œil pour terminer : le shivaïsme, environ depuis cinq mille ans, se représente l’Univers comme une succession d’éons durant chacun environ 21 milliards d’années. Chaque manifestation commençant par un « germe » le bindu suivi d’une expansion qui se transforme en fin de cycle en une résorption dans son état initial de germe. Et le cycle reprend …
JP
