Plus nous serons curieux des grandes inconnues cosmiques, plus nos enquêtes sur l’Univers révéleront de questions sans réponse. S’enquérir de la nature de quoi que ce soit — où il se trouve, d’où il vient et comment il est arrivé — vous mènera inévitablement aux mêmes grands mystères: sur la nature ultime et l’origine de l’Univers et de tout ce qui s’y trouve. Pourtant, peu importe le chemin parcouru, ces mêmes questions persistantes semblent toujours subsister: à un moment donné, les entités qui sont notre « point de départ » n’existaient pas nécessairement, alors comment sont-elles apparues? Finalement, vous vous retrouvez à la question ultime: comment quelque chose est-il né de rien? Comme beaucoup de questionneurs récents, dont Luke Martin, Buzz Morse, Russell Blalack, John Heiss et bien d’autres l’ont écrit:

« D’accord, vous recevez sûrement cette question à l’infini, mais je vous demanderai néanmoins: Comment quelque chose (l’univers / big bang) est-il venu de rien? »

C’est peut-être l’une des plus grandes questions de toutes, car il s’agit essentiellement de demander non seulement d’où tout vient-il, mais comment tout cela s’est-il produit en premier lieu. Voici ce que la science nous a permis, au moins, jusqu’à présent.

Aujourd’hui, lorsque nous regardons l’Univers, la suite complète des observations que nous avons recueillies, même avec les incertitudes connues prises en compte, pointe toutes vers une image remarquablement cohérente. Notre Univers est fait de matière (plutôt que d’antimatière), obéit aux mêmes lois de la physique partout et à tout moment, et a commencé — du moins, comme nous le savons — par un Big Bang chaud il y a environ 13,8 milliards d’années. Il est régi par la Relativité générale, il se dilate, se refroidit et gravite, et il est dominé par l’énergie noire (68%) et la matière noire (27%), la matière normale, les neutrinos et les radiations constituant le reste.

Aujourd’hui, bien sûr, il est plein de galaxies, d’étoiles, de planètes, d’éléments lourds et, dans au moins un endroit, de vie intelligente et technologiquement avancée. Ces structures n’étaient pas toujours là, mais sont plutôt apparues à la suite de l’évolution cosmique. Dans un saut scientifique remarquable, les scientifiques du 20e siècle ont pu reconstruire la chronologie de la façon dont notre Univers est passé d’un Univers principalement uniforme, dépourvu de structure complexe et composé exclusivement d’hydrogène et d’hélium, à l’Univers riche en structures que nous observons aujourd’hui.

Si nous commençons à partir d’aujourd’hui, nous pouvons reculer dans le temps et demander d’où vient une structure individuelle ou un composant de cette structure. Pour chaque réponse que nous obtenons, nous pouvons alors demander: « d’accord, mais d’où cela vient-il et comment cela s’est-il produit », en revenant jusqu’à ce que nous soyons obligés de répondre: « nous ne savons pas, du moins pas encore. »Alors, enfin, nous pouvons contempler ce que nous avons, et demander: « comment cela est-il né, et y a-t-il un moyen qu’il ait pu naître de rien? »

Alors, commençons.

La vie que nous avons aujourd’hui provient de molécules complexes, qui doivent provenir des atomes du tableau périodique: les ingrédients bruts qui composent toute la matière normale que nous avons dans l’Univers aujourd’hui. L’Univers n’est pas né avec ces atomes; au lieu de cela, ils ont nécessité plusieurs générations d’étoiles vivantes et mourantes, les produits de leurs réactions nucléaires étant recyclés en générations futures d’étoiles. Sans cela, les planètes et la chimie complexe seraient une impossibilité.

Pour former des étoiles et des galaxies modernes, nous avons besoin de:

• gravitation pour attirer les petites galaxies et les amas d’étoiles les uns dans les autres, créant de grandes galaxies et déclenchant de nouvelles vagues de formation d’étoiles,
• qui ont nécessité des collections de masse préexistantes, créées à partir de la croissance gravitationnelle,
• qui nécessitent la formation précoce de auréoles de matière noire, empêchant les épisodes de formation d’étoiles d’éjecter cette matière dans le milieu intergalactique,
• qui nécessitent le bon équilibre de la matière normale, la matière noire et le rayonnement pour donner naissance au fond micro-ondes cosmologique, les éléments lumineux formés dans le Big Bang chaud, et les abondances / modèles que nous voyons en eux,
• qui ont nécessité des fluctuations initiales de la graine — des imperfections de densité – pour se développer gravitationnellement dans ces structures,
• qui nécessitent un moyen de créer ces imperfections, ainsi qu’un moyen de créer de la matière noire et de créer les quantités initiales de matière normale.

Ce sont trois ingrédients clés qui sont nécessaires, dans les premiers stades du Big Bang chaud, pour donner naissance à l’Univers tel que nous l’observons aujourd’hui. En supposant que nous exigeons également l’existence des lois de la physique et de l’espace—temps lui—même – ainsi que de la matière / de l’énergie elle-même -, nous voulons probablement les inclure comme les ingrédients nécessaires qui doivent en quelque sorte surgir.

Donc, en bref, lorsque nous demandons si nous pouvons obtenir un Univers à partir de rien ou non, ce sont les entités nouvelles, jusqu’ici inexpliquées, dont nous avons besoin pour surgir d’une manière ou d’une autre.

Pour obtenir plus de matière que d’antimatière, nous devons extrapoler dans l’Univers très ancien, à une époque où notre physique est très incertaine. Les lois de la physique telles que nous les connaissons sont en quelque sorte symétriques entre la matière et l’antimatière: chaque réaction que nous avons créée ou observée ne peut créer ou détruire que de la matière et de l’antimatière en quantités égales. Mais l’Univers que nous avions, bien qu’il ait commencé dans un état incroyablement chaud et dense où la matière et l’antimatière pouvaient toutes deux être créées en quantités abondantes et copieuses, devait avoir un moyen de créer une asymétrie matière / antimatière là où aucune n’existait initialement.

Il existe de nombreuses façons d’y parvenir. Bien que nous ne sachions pas quel scénario s’est réellement déroulé dans notre jeune Univers, toutes les façons de le faire impliquent les trois éléments suivants:

1. un ensemble de conditions hors d’équilibre, qui apparaissent naturellement dans un Univers en expansion et en refroidissement,
2. un moyen de générer des interactions violant le nombre de baryons, ce que le Modèle Standard permet par le biais d’interactions sphaléron (et les scénarios au-delà du Modèle Standard le permettent de manière supplémentaire),
3. et un moyen de générer suffisamment de violations de C et de CP pour créer une asymétrie matière / antimatterie en quantités suffisamment importantes.

Le modèle standard contient tous ces ingrédients, mais pas assez. Si vous considérez un Univers symétrique matière / antimatière comme « un Univers sans rien », alors il est presque garanti que l’Univers a généré quelque chose à partir de rien, même si nous ne sommes pas tout à fait certains exactement de la façon dont cela s’est produit.

De même, il existe de nombreux moyens viables de générer de la matière noire. Nous savons, grâce à des tests et des recherches approfondis, que quelle que soit la matière noire, elle ne peut pas être composée de particules présentes dans le Modèle standard. Quelle que soit sa véritable nature, elle nécessite une nouvelle physique au-delà de ce qui est actuellement connu. Mais il existe de nombreuses façons de le créer, notamment:

• d’être créé thermiquement dans l’Univers chaud et primitif, puis de ne pas s’annihiler complètement, restant stable par la suite (comme la particule supersymétrique la plus légère ou Kaluza-Klein),
• ou d’une transition de phase qui s’est spontanément produite lorsque l’Univers s’est étendu et refroidi, arrachant des particules massives du vide quantique (par exemple, l’axion),
• comme une nouvelle forme d’un neutrino, qui lui-même peut se mélanger avec les neutrinos connus (i.e., un neutrino stérile), ou en tant que neutrino droitier lourd qui existe en plus des neutrinos conventionnels,
• ou en tant que phénomène purement gravitationnel qui donne naissance à une particule ultramassive (par exemple, un WIMPzilla).

Pourquoi y a-t-il de la matière noire, aujourd’hui, alors que le reste de l’Univers semble très bien fonctionner très tôt sans elle? Il devait y avoir un moyen de générer cette « chose » là où il n’y en avait pas auparavant, mais tous ces scénarios nécessitent de l’énergie. Alors, d’où vient toute cette énergie ?

Peut—être, selon l’inflation cosmique – notre principale théorie des origines de l’Univers avant le Big Bang — elle ne venait-elle vraiment de rien. Cela nécessite un peu d’explication, et c’est ce que l’on entend le plus souvent par « un Univers à partir de rien. » (Y compris, d’ailleurs, comme il a été utilisé dans le titre du livre du même nom.)

Lorsque vous imaginez les premières étapes du Big Bang chaud, vous devez penser à quelque chose d’incroyablement chaud, dense, de haute énergie et presque parfaitement uniforme. Lorsque nous demandons « comment cela s’est-il produit », nous avons généralement deux options.

1. Nous pouvons suivre la voie de Lady Gaga, et prétendre simplement qu’elle doit être « née de cette façon. »L’Univers est né avec ces propriétés, que nous appelons conditions initiales, et il n’y a pas d’autre explication. En tant que physicien théoricien, nous appelons cette approche « abandonner. »
2. Ou nous pouvons faire ce que les physiciens théoriciens font le mieux: essayer de concocter un mécanisme théorique qui pourrait expliquer les conditions initiales, en taquinant les prédictions concrètes qui diffèrent de la norme, les prédictions de la théorie dominante, puis en cherchant à mesurer les paramètres critiques.

L’inflation cosmique est née de cette deuxième approche, et elle a littéralement changé notre conception de la façon dont notre Univers est devenu.

Au lieu d’extrapoler « chaud et dense » à une singularité infiniment chaude et infiniment dense, l’inflation dit essentiellement: « peut-être que le Big Bang chaud a été précédé d’une période où une densité d’énergie extrêmement importante était présente dans le tissu de l’espace lui-même, provoquant l’expansion de l’Univers à un rythme implacable (inflationniste), puis lorsque l’inflation a pris fin, cette énergie a été transférée dans la matière et l’antimatière et le rayonnement, créant ce que nous voyons comme le Big Bang chaud: les conséquences de l’inflation. »

Dans les détails sanglants, cela crée non seulement un Univers avec la même température partout, la même planéité spatiale et aucun vestige d’une hypothétique grande époque unifiée, mais prédit également un type et un spectre particuliers de fluctuations de graine (densité), que nous sommes ensuite allés voir. À partir de l’espace vide lui—même — bien qu’il s’agisse d’un espace vide rempli d’une grande quantité d’énergie de champ – un processus naturel a créé tout l’Univers observable, riche en structure, tel que nous le voyons aujourd’hui.

C’est la grande idée d’obtenir un Univers à partir de rien, mais ce n’est pas satisfaisant pour tout le monde.

Pour une grande fraction de personnes, un Univers où l’espace et le temps existent encore, avec les lois de la physique, les constantes fondamentales et une énergie de champ non nulle inhérente au tissu de l’espace lui-même, est très séparé de l’idée de néant. Nous pouvons imaginer, après tout, un lieu en dehors de l’espace; un moment au-delà des limites du temps; un ensemble de conditions qui n’ont aucune réalité physique pour les contraindre. Et ces imaginations – si nous définissons ces réalités physiques comme des choses que nous devons éliminer pour obtenir le vrai néant – sont certainement valables, du moins philosophiquement.

Mais c’est la différence entre le néant philosophique et une définition plus physique du néant. Comme je l’ai écrit en 2018, il existe quatre définitions scientifiques de rien, et elles sont toutes valides, en fonction de votre contexte:

1. Un moment où votre « chose » d’intérêt n’existait pas,
2. Espace physique vide,
3. Espace-temps vide dans l’état d’énergie la plus basse possible, et
4. Tout ce qui vous reste lorsque vous emportez l’Univers entier et les lois qui le régissent.

Nous pouvons certainement dire que nous avons obtenu « un Univers à partir de rien » si nous utilisons les deux premières définitions; nous ne pouvons pas si nous utilisons la troisième; et malheureusement, nous ne savons pas assez pour dire ce qui se passe si nous utilisons la quatrième. Sans théorie physique pour décrire ce qui se passe en dehors de l’Univers et au-delà des lois physiques du royaume, le concept de vrai néant est physiquement mal défini.

Dans le contexte de la physique, il est impossible de donner un sens à une idée de néant absolu. Qu’est-ce que cela signifie d’être en dehors de l’espace et du temps, et comment l’espace et le temps peuvent-ils raisonnablement et de manière prévisible sortir d’un état de non-existence? Comment l’espace-temps peut-il émerger à un endroit ou à une heure particulière, alors qu’il n’y a pas de définition de lieu ou de temps sans elle? D’où viennent les règles régissant les quanta — les champs et les particules à la fois — ?

Cette ligne de pensée suppose même que l’espace, le temps et les lois de la physique elles-mêmes n’étaient pas éternels, alors qu’en fait elles peuvent l’être. Tout théorème ou preuve contraire repose sur des hypothèses dont la validité n’est pas solidement établie dans les conditions auxquelles nous chercherions à les appliquer. Si vous acceptez une définition physique de « rien », alors oui, l’Univers tel que nous le connaissons semble être né de rien. Mais si vous laissez les contraintes physiques derrière vous, alors tout ce qui concerne nos origines cosmiques ultimes disparaît certainement.

Malheureusement pour nous tous, l’inflation, par sa nature même, efface toute information qui pourrait être imprimée d’un état préexistant sur notre Univers observable. Malgré la nature illimitée de notre imagination, nous ne pouvons tirer des conclusions que sur des questions pour lesquelles des tests impliquant notre réalité physique peuvent être construits. Peu importe à quel point toute autre considération peut être logique, y compris une notion de néant absolu, c’est simplement une construction de notre esprit.

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