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Un Big Bang chaotique…

Une description du Big Bang formulée il y a des décennies pourrait ne pas résister à un examen mathématique, selon des travaux récents effectués par des chercheurs de l’Institut Périmètre et de l’Institut Albert-Einstein.

Le Big Bang est l’un des grands mystères de la science, et il semble que le mystère se soit encore épaissi, si l’on en croit de nouvelles recherches qui réfutent les théories dominantes sur la naissance de l’univers.

Une description classique du Big Bang implique une singularité : un point où le volume est infiniment petit et où la théorie de la gravitation d’Einstein — la relativité générale — ne fonctionne plus.

Pour s’attaquer à ce problème, deux propositions ont vu le jour dans les années 1980 : celle de l’« univers sans frontière », formulée par Stephen Hawking et James Hartle, et la théorie d’Alexander Vilenkin dite de « création à partir de rien ».

Chacune de ces propositions tentait de décrire à l’aide de la physique quantique un début en douceur de l’espace-temps. Au lieu de l’aiguille infiniment pointue du Big Bang classique, ces propositions décrivaient quelque chose d’analogue à la mine usée d’un crayon — incurvée, sans arête ni pointe.

Ces propositions ont donné lieu à beaucoup de recherches, mais de nouveaux travaux mathématiques laissent entendre qu’un tel début en douceur n’aurait pas pu donner naissance à l’univers ordonné que nous connaissons aujourd’hui.

Un nouvel article, dont les auteurs sont Neil Turok et Job Feldbrugge, de l’Institut Périmètre, et Jean-Luc Lehners, de l’Institut Albert-Einstein en Allemagne, met en relief des incohérences mathématiques des propositions d’univers sans frontière et de création à partir de rien.

« Le commencement — s’il y en a eu un — de notre univers est l’une des grandes questions non résolues de la physique théorique », déclare M. Feldbrugge, doctorant à l’Institut Périmètre. « La proposition d’univers de Hartle, Hawking et al. constitue un modèle élégant du Big Bang formulé à l’aide de la gravitation quantique. Grâce à de nouvelles techniques mathématiques, nous pouvons maintenant étudier cette proposition de manière rigoureuse et voir le genre d’univers qu’elle prédit. » [traduction]

Neil Turok ajoute que les modèles précédents étaient de « belles propositions cherchant à donner un portrait complet de l’origine de l’espace-temps » [traduction], mais qu’ils ne résistent pas à cette nouvelle évaluation mathématique.

« Malheureusement, explique-t-il, au moment où ces modèles ont été proposés, aucune formulation suffisamment précise de la gravitation quantique n’était disponible pour déterminer si ces modèles avaient un sens sur le plan mathématique. » [traduction]

Ces nouvelles recherches, présentées dans un article intitulé No smooth beginning for spacetime (Pas de début en douceur pour l’espace-temps), montrent qu’un univers qui aurait émergé en douceur à partir de rien serait « très variable et fluctuant », en contradiction flagrante avec les observations selon lesquelles l’univers est extrêmement uniforme dans l’espace.

« Il s’ensuit que la proposition d’un univers sans frontière ne donne pas un grand univers comme celui dans lequel nous vivons, mais plutôt de petits univers courbes qui s’effondreraient immédiatement », déclare M. Lehners, ancien postdoctorant à l’Institut Périmètre, qui dirige le groupe de cosmologie théorique à l’Institut Albert-Einstein.

Les trois chercheurs ont obtenu ce résultat en revoyant les fondements du domaine. Ils ont trouvé une nouvelle manière d’utiliser de puissants outils mathématiques mis au point depuis un siècle pour s’attaquer à l’un des problèmes les plus fondamentaux de la physique : comment relier la physique quantique et la gravitation. Ces travaux font suite à des recherches précédentes menées par Neil Turok avec Steffen Gielen, postdoctorant à l’Institut canadien d’astrophysique théorique et à l’Institut Périmètre, dans lesquelles ils avaient remplacé le concept de « Big Bang classique » par celui de « grand rebond quantique ».

MM. Turok, Lehners et Feldbrugge essaient maintenant de déterminer quel mécanisme aurait pu endiguer les grandes fluctuations quantiques tout en permettant à notre grand univers de se déployer.

Ces nouvelles recherches supposent que « nous devons soit chercher une autre théorie du tout début de l’univers, soit revoir les modèles les plus élémentaires de la gravitation quantique » [traduction], affirme M. Feldbrugge.

Et Neil Turok d’ajouter : « La découverte de ces incohérences mathématiques nous donne une précieuse indication. Elle nous rapproche d’une nouvelle théorie du Big Bang. » [traduction]

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