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Cosmologie comparée — Des théoriciens discutent du « grand rebond »

Des dizaines de théoriciens se sont réunis à l’occasion d’une récente conférence de l’Institut Périmètre pour discuter de l’une des questions les plus anciennes de l’humanité : comment tout cela a-t-il commencé?

En cosmologie standard, l’univers a commencé par une grande explosion appelée Big Bang. Une nouvelle idée remplace le Big Bang par un « rebond » entre un univers précédent en contraction et notre univers actuel en expansion. Un récent atelier tenu à l’Institut Périmètre a réuni des promoteurs de divers « scénarios de rebond », qui ont comparé leurs démarches respectives, discuté de concepts généraux et réfléchi au rôle de la mécanique quantique dans les premiers moments de l’univers.

Dans le périmètre a saisi cette occasion d’en apprendre davantage et a questionné 4 participants à l’atelier pour connaître leur point de vue. Ce sont Abhay Ashtekar et Martin Bojowald, de l’Université d’État de Pennsylvanie, Jean-Luc Lehners, de l’Institut Albert-Einstein, et Mairi Sakellariadou, du Collège royal de Londres.

Dans le périmètre — Quelle est selon vous la plus grande faiblesse de la théorie du Big Bang?

Jean-Luc Lehners — Sa plus grande faiblesse, et en même temps son principal atout, est le Big Bang lui-même. Au moment du Big Bang, le modèle ne tient plus, car des grandeurs telles que la densité et la courbure de l’espace-temps deviennent infinies. Cela signifie que nous ne pouvons plus faire confiance aux équations et qu’il faut un meilleur modèle. Beaucoup, et j’en suis, considèrent que l’unification de la physique quantique et de la physique gravitationnelle en vue de résoudre ce problème constitue le sujet le plus intéressant de la physique théorique.

Mairi Sakellariadou — La théorie du Big Bang est formulée dans le cadre de la théorie classique de la relativité générale d’Einstein, qui n’explique pas de manière adéquate les premiers stades de l’existence du cosmos et ne peut expliquer le Big Bang lui-même. La mécanique quantique a sans doute joué un rôle dans les premiers moments de la naissance de l’univers.

Martin Bojowald — Si l’on fait appel à la relativité générale classique, il y a une singularité au moment du Big Bang qui a précédé l’expansion de l’univers. Cela pose un problème conceptuel, qui empêche d’analyser de manière appropriée l’état initial de l’expansion.

Abhay Ashtekar — À mon avis, sa plus grande faiblesse est que cette théorie fait une prédiction qui va au-delà de son domaine d’application. Au-delà de son domaine de validité, toute théorie physique donne des réponses insensées. Lorsque cela se produit, la théorie atteint ses limites et perd généralement de sa crédibilité. La relativité générale prédit des singularités, le Big Bang étant la plus spectaculaire, mais pour une raison ou pour une autre, la théorie conserve toute sa crédibilité. Les singularités du Big Bang et des trous noirs sont des fenêtres sur la physique au-delà de la théorie d’Einstein.

Mairi Sakellariadou et Martin Bojowald discutent pendant une pause lors de l’atelier Bounce Scenarios in Cosmology (Scénarios de rebond en cosmologie).

Dans le périmètre — Que signifie le terme « scénarios de rebond »?

Lehners — Les scénarios de rebond tentent de remplacer le Big Bang par une transition à partir d’une phase antérieure de l’évolution de l’univers. Cela signifie que le Big Bang n’est pas considéré comme le commencement, mais plutôt comme un point de transition, généralement entre une phase de contraction et une phase d’expansion.

Sakellariadou — Les scénarios de rebond sont des modèles cosmologiques, inspirés d’approches différentes de la gravitation quantique, où la singularité classique du Big Bang est remplacée par un rebond, souvent suivi d’une phase d’inflation cosmique. La densité d’énergie est maximale au moment du rebond, alors que le volume atteint une valeur minimale mais non nulle.

Ashtekar — Pour moi, un scénario de rebond est un scénario dans lequel on va au-delà de la théorie d’Einstein, au-delà de la relativité générale. On évite ainsi le Big Bang et on le remplace par quelque chose où la physique ne connaît pas de cassure. À mon avis, cela fait intervenir un volet de mécanique quantique.

Dans le périmètre — Quel modèle de l’univers primitif a d’après vous le plus grand potentiel? Pourquoi?

Lehners — C’est très difficile à dire pour le moment. Je suis devenu sceptique à propos de pratiquement toutes les approches actuelles, principalement parce que j’ai l’impression que ces modèles nous donnent beaucoup moins que ce que nous y mettons. J’entends par là qu’aucun des modèles actuels n’aboutit aux conditions présentes de l’univers et que, à mesure que nous en apprenons davantage sur l’univers primitif, nous devons chaque fois ajuster les modèles. Il se peut bien que les modèles actuels contiennent des éléments qui feront partie des modèles futurs, mais beaucoup des grandes questions demeurent pour le moment sans réponse. Je suis donc ouvert à l’exploration d’autres directions.

Bojowald — Le modèle de l’inflation cosmique, parce qu’il est le plus proche des tests d’observation. Tout ce qui a pu se produire avant l’inflation cosmique demeure mal connu.

Sakellariadou — Pour le moment, je ne crois pas qu’il y ait assez de preuves pour privilégier un scénario en particulier. Diverses propositions de gravitation quantique offrent des cadres appropriés pour élaborer des modèles cosmologiques. Nous en sommes encore à extraire les prédictions propres à ces modèles et à les confronter aux données maintenant disponibles, tout en essayant de mieux comprendre leurs fondements conceptuels.

Ashtekar — On remplace le Big Bang par quelque chose. Par quoi? Il faut partir de certains principes. La raison pour laquelle j’aborde la question du point de vue de la cosmologie quantique à boucle, que je préfère à d’autres modèles, c’est que ce modèle — fondé sur la gravitation quantique à boucle — est beaucoup plus large et s’applique à l’ensemble du système cosmologique.

Jean-Luc Lehners, chef du groupe Max-Planck de recherche en cosmologie théorique à l’Institut Albert-Einstein

Dans le périmètre — Quelles preuves d’observation (le cas échéant) pourrait-on rechercher pour appuyer votre théorie de rebond favorite?

Ashtekar — Il y a la possibilité de rechercher des effets de gravitation quantique dans le rayonnement fossile aux échelles les plus grandes. C’est le seul exemple concret que je connaisse de quelque chose qui serait directement disponible et qui constituerait un lien entre des observations et la théorie.

Lehners — Malheureusement, il est actuellement impossible de tester directement n’importe quelle théorie de l’univers primitif. Nos observations les plus anciennes viennent du rayonnement fossile, qui a été émis 380 000 ans après le Big Bang. Il faut donc remonter beaucoup plus loin dans le temps. On espère pouvoir un jour reculer davantage dans le passé, peut-être à l’aide des ondes gravitationnelles. Mais cela pourrait prendre du temps. Cela étant dit, l’obligation pour une théorie d’être compatible avec ce que l’on observe dans le rayonnement fossile est en soi très difficile à satisfaire et élimine d’entrée de jeu de nombreux modèles.

Sakellariadou — Nous disposons à l’heure actuelle d’une variété de données d’observation et d’expérimentation précises, provenant de l’astrophysique ou de la physique des particules. Il faut examiner les prédictions des modèles cosmologiques au regard de ces données. À titre d’exemple, si l’on observe des ondes gravitationnelles primordiales, certaines théories cosmologiques de rebond seront en difficulté.

Dans le périmètre — Pourquoi est-ce important de se réunir dans un forum comme celui-ci pour discuter de ces idées?

Bojowald — La question de savoir ce qui pourrait remplacer la singularité du Big Bang exige le traitement de l’espace-temps quantique à des densités très élevées. Il n’existe pas d’intuition fiable qui pourrait nous guider. C’est un problème complexe à propos duquel des idées prometteuses se sont heurtées à des obstacles inattendus. C’est bon de voir comment d’autres modèles ont abordé ces problèmes ou quelles difficultés supplémentaires elles pourraient susciter.

Lehners — C’est important parce que, souvent, des discussions avec des collègues accélèrent sensiblement les progrès. Lorsque l’on essaie d’expliquer ses idées à quelqu’un d’autre, on voit rapidement ce qui est bien compris et ce qui exige davantage de travail. De plus, les interactions engendrent de nouvelles idées. Malgré le téléphone, le courriel et la vidéoconférence, je considère encore que les interactions entre personnes sont de loin les plus productives.

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