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Cet ensemble de textes a été conçu à la demande de lecteurs de la revue en ligne Automates-Intelligents souhaitant disposer de quelques repères pour mieux appréhender le domaine de ce que l’on nomme de plus en plus souvent les "sciences de la complexité"... lire la suite

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15 juin 2014 7 15 /06 /juin /2014 07:21


Jean-Paul Baquiast 14/06/2014

Le concept de Singularité a été développé pour désigner l'état initial de notre univers lorsque l'on remonte à l'envers l'histoire des différents états qu'il aurait traversé après le supposé Big Bang. Dans la cosmologie reposant sur la conception de la gravité qui découle de la théorie de la relativité générale, présentée par Einstein, les corps exercent les uns sur les autres une force de gravité (ou d'attirance mutuelle) en fonction de leur masse et de leurs distances. Si la distance s'accroit, comme le suggèrent les théories de l'expansion, l'attraction gravitationnelle diminue. Si au contraire cette distance diminuait, parce que l'univers subissait à un certain moment de son évolution une force de contraction, l'attraction gravitationnelle deviendrait infinie. C'est ce qui avait été symbolisé par le concept de « Big Crunch » ou grand écrasement, l'opposé du Big Bang.

Les physiciens admettent généralement que l'état de l'univers précédant le Big Bang ou résultant d'un Big Crunch menée à son terme, ne peut être décrit par les paramètres de la physique macroscopique, c'est-à-dire de la physique einsténienne. L'espace-temps se réduit au point que l'espace et le temps tels que nous les connaissons disparaissent. Il en est de même des échanges entre ondes et particules générant les diverses radiations qui façonnent l'univers actuel. Mais alors qu'en dire? On ne peut pas se borner à constater que ces questions sont trop complexes pour que notre cerveau, en son état actuel, les comprenne. On ne peut pas non plus se renvoyer, comme les 9/10 des populations actuelles, aux textes religieux. La science s'est donc tournée vers la physique quantique.

Celle-ci décrit un univers quantique aux propriétés bien étudiées aujourd'hui, dont nous constatons tous les jours la « réalité », si l'on peut dire, mais qui sont bien particulières. Le temps et l'espace n'y existent plus, les entités quantiques onde-particule, ne peuvent être décrites que par des formules statistiques (la fonction d'onde), elles peuvent se superposer ou se lier (intrication) d'une façon inexplicable par la physique macroscopique.

L'univers quantique primordial est généralement résumé aujourd'hui par le concept de vide quantique. Celui-ci n'est pas vide, il est constitué d'un milieu extrêmement dense et énergétique, parcouru de fluctuations. De quoi s'agit-il? L'équation E=mc2 traduit l'équivalence entre masse et énergie. Donc en empruntant de l'énergie au vide il est possible de créer des particules dotées de masses. Ce mécanisme est à l'origine de l'apparition de paires de particules virtuelles.

Le vide parait rempli de particules virtuelles apparaissant pendant un temps très bref avant de disparaître. On peut les constater dans l'effet dit Casimir. Plus généralement, on considère que les fluctuations du vide quantique peuvent donner naissance à des germes d'univers dits bulles d'univers, se développant dans la cadre de la physique macroscopique. Notre univers serait né d'une de ces bulles. A ce stade, il s'agit évidemment d'hypothèses. Mais elles sont à la source d'une autre hypothèse aujourd'hui très populaire, celle du multivers.

Le concept de vide quantique n'est cependant pas considéré par les physiciens comme suffisant à définir ce qu'aurait pu être le milieu précédant le Big Bang. Depuis de nombreuses années déjà, les théoriciens essayent d'élaborer des modèles résultant d'une synthèse à réaliser entre gravité et mécanique quantique. Il s'agit de ce qui a été nommé la gravitation quantique. La version la plus étudiée à ce jour est la théorie des cordes. Elle a suscité de nombreux travaux, provenant de très nombreux chercheurs, dont certains y ont gagné une grande renommée.

Mais les types de milieu primordial que propose la théorie des cordes sont en très grand nombre. Ses hypothèses ne disent rien de précis en ce qui concerne les origines de l'espace et du temps. Aucune par ailleurs ne suggère d'expérinces vérifiables par les instruments actuels, même si leurs auteurs annoncent régulièrement pouvoir le faire.

L'une des théories jugées aujourd'hui la plus convaincante est cependant la gravitation quantique à boucle (Loop quantum gravity, LQG)) dont le physicien Lee Smolin s'est fait depuis longtemps le défenseur. Pour elle, l'espace présente une structure discrète (par opposition au continuum espace-temps de la relativité générale) : les aires et les volumes d'espace sont quantifiés. La notion d'espace est remplacée par la notion de grains primitifs, sortes d'« atomes » d'espace ou, plus exactement, de quanta du champ gravitationnel. La notion d'espace-temps doit en conséquence être remplacée par une interaction de particules et de boucles du champ gravitationnel. L'espace-temps devient granulaire et probabiliste.

La « causal dynamical triangulation »

Concernant la cosmologie et notamment l'étude de l'univers primordial et la physique du Big Bang. la LQG considère en général que l'évolution de notre univers ne commence pas au Big Bang. Celui-ci pourrait être remplacé par le rebond cosmique ( Big Bounce) d'un univers pré-existant en contraction (Big Crunch). Mais cela ne suffit pas, aux yeux des travaux les plus récents, pour caractériser le milieu ayant précédé l'apparition de notre espace-temps. Les hypothèses ne manquent pas et font l'objet d'intenses discussions au sein de blogs scientifiques tous incompréhensibles par le grand public.

Des théories plus abordables commencent cependant à circuler. L'une d'elle est dite en anglais causal dynamical triangulation (CDT). Selon celle-ci, l'univers serait composé d'unités d'espace-temps s'organisant en pyramides de base triangulaire (image ci-dessus). La façon dont ces pyramides triangulaires s'assemblent entre elles génère une dynamique conférant à notre espace-temps la courbure que la relativité générale attribue à la présence de masse et d'énergie. Ce sont évidemment des simulations mathématiques, et non l'observation, qui donnent naissance à ces descriptions. Ces simulations sont en compétition et, de temps à autres, la plus convaincante réussit à s'imposer.

L'univers primordial décrit pas la CDT peut exister sous trois formes ou phases différentes. La première est celle que nous connaissons, où les différents régions de l'espace sont connectées les unes aux autres grâce à la transmission de forces. Dans une deuxième forme, l'univers constitue un amas indistinct dont chaque élément fait partie de tous les autres. Dans une troisième, les unités d'espace-temps sont complètement déconnectées, chacune se présentant à elle-même comme une entité solitaire. Plus rien alors ne peut y circuler.

Les théoriciens de la LQG, dont le physicien français Aurélien Barrau, considèrent que celle-ci peut expliquer la façon dont l'univers primordial a évolué à travers ces trois phases pour prendre la forme que nous lui connaissons. Nous ne pouvons en discuter ici. Il est important cependant de noter que ces théoriciens estiment pouvoir faire apparaître des conséquences de cette évolution à partir des prochaines générations d'observatoire du fond cosmologique, qu'il s'agisse d'un Planck 2 ou d'un BICEP 2.

En attendant, une hypothèse plus que surprenante a été formulée, à propos des métamatériaux expérimentés actuellement par la physique et dont l'une des propriétés est qu'ils dévient les rayons lumineux d'une façon non cohérente, de telle sorte que dans certains conditions ils deviendraient invisibles. L'univers primitif, avant le Big Bang, aurait pu avoir ces propriétés. Il serait alors possible d'étudier l'avant- Big bang sur les paillasses des laboratoires.

Pour en savoir plus
* Le site The Physics Mill, Physics (and math) for everyone, propose un long article concernant la CDT. Le lecteur curieux pourra s'y reporter. Disons seulement que l'article, contrairement aux prétentions de The Physics Mill, n'est pas à la portée de chacun. Si bien que nous sommes incapbles de juger en profondeur de sa pertinence.
* Il faudra aussi se référer à un article de Michael Brooks dans le NewScientist du 11 juin 2014 Goodbye big bang, hello big silence. Cet article développe d'autres points intéressants auxquels nous n'avons pas fait allusion ici.

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