Ce texte a été écrit dans le cadre du cours Physique contemporaine donné à l'université Laval à l'automne 1998. Il s'adresse donc aux lecteurs avertis seulement.

À la recherche des origines

Depuis le début de son existence, l’homme a toujours cherché ses origines et celles de son univers. Les hommes ont cru, entre autres, au fixisme, une théorie selon laquelle l’univers a toujours été et sera toujours comme nous l’observons aujourd’hui. Il y a ensuite eu l’avènement du créationnisme, particulièrement avec l’apparition des religions judéo-chrétiennes, qui prétendait que l’univers avait été créé par un être tout-puissant. Dans ces deux cas, et jusqu’à tout récemment, on croyait que l’univers était statique et qu’il n’évoluait pas. Même Einstein s’y est fait prendre en introduisant sa constante cosmologique dans les équations de sa théorie de la relativité générale parce qu’elles supposaient un univers en évolution. Il a avoué plus tard que c’était « la plus grande erreur de [sa] vie. »

Après l’étude des équations d’Einstein, en 1922, le physicien Alexander Friedmann conclut que l’univers devait être soit en expansion, soit en contraction, dû à la seule présence de masse. En 1925, Edwin Hubble observe que la lumière des galaxies distantes était décalée vers le rouge. De plus, ce décalage vers le rouge était d’autant plus important que la galaxie était éloignée. Il avait découvert, par l’observation, que l’univers était bel et bien en évolution et en expansion.

Il n’en fallait pas plus pour que les physiciens commencent à tenter d’expliquer les origines de l’univers. Si l’univers est en expansion aujourd’hui, il devait être dans un état de très grande densité et de haute température à un moment dans le passé. À t=0, l’univers aurait commencé son expansion, c’est ce qu’on appelle aujourd’hui le Big Bang. Avant ce moment, l’univers était une singularité de densité infinie que les théories de la physique moderne ne peuvent décrire. La théorie du Big Bang a pris un certain temps à être acceptée, mais elle est aujourd’hui considérée comme la théorie qui explique le mieux les débuts de l’univers.

Quelques problèmes

Plusieurs prédictions de la théorie ont été confirmées par l’observation. C’est le cas du rayonnement de fond cosmologique qui a été observé en 1965 par Penzias et Wilson et qui a consacré la théorie du Big Bang. Cependant, on se rend compte depuis quelques temps que cette théorie n’explique pas certaines observations qui ont été faites. Plusieurs problèmes sont apparus, mais aucune explication en accord avec la théorie du Big Bang n’était possible.

Parmi ces problèmes on trouve :

• le problème d’horizon : le rayonnement de fond cosmologique est très uniforme (il ne varie que d’environ 6 parties par million), ce qui signifie que l’univers, lors de son émission, devait être très homogène.

• le problème de planéité : l’univers présente une absence de courbure, il a une densité très près (sinon égale) à la densité critique.

• l’asymétrie matière/antimatière : l’univers est constitué presque exclusivement de matière, on n’y retrouve que 0,01% d’antimatière.

• le nombre baryonique : on retrouve dans l’univers actuel environ un baryon par milliard de photons.

• notre univers est constitué de trois dimensions d’espace et un de temps, on ne peut expliquer pourquoi il en est ainsi et aussi pourquoi les lois de la physique sont celles que nous observons (c’est ce qu’on appelle en anglais le uniqueness problem).

• l’absence apparente de monopôles magnétiques et de trous noirs primordiaux : la théorie du Big Bang prédit la formation d’un grand nombre ces objets exotiques alors qu’aucun n’a été observé à ce jour.

• la présence de structure : l’univers a formé des structures (galaxies, amas de galaxies, superamas) alors qu’il était très homogène.

Pour expliquer tous ces problèmes, une nouvelle théorie a été introduite par Alan Guth en 1981. Selon cette théorie, l’univers serait entré dans une phase d’expansion exponentielle pendant un certain temps après le Big Bang. C’est ce qu’on appelle aujourd’hui l’inflation primordiale. Après la période inflationnaire, l’expansion de l’univers continue comme la théorie classique du Big Bang l’avait prévu pour aboutir à l’univers qu’on observe aujourd’hui.

Les débuts de l’univers

On fixe le commencement de l’univers au moment où il a commencé son expansion, c’est le Big Bang. Les théories de la physique moderne ne permettent cependant pas d’expliquer ce qui s’est passé à ce moment ou avant. À des énergies supérieures à l’énergie de Planck, les théories de la physique actuelle tombent et aucune prédiction ne peut être faite. L’univers était dans cet état avant l’instant de Planck, qui est fixé à 5,39 x 10^-44 s. Avant cet instant, à des températures supérieures à 10³⁵ K, toutes les interactions fondamentales étaient unifiées (voir la figure 1), unification qui serait décrite par ce qui est appelé en anglais « Theory of Everything ». Pour décrire ce qui se passe dans l’univers à ce moment, il faudrait inventer une théorie de la gravitation quantique, qui serait un mariage de la relativité générale et de la mécanique quantique. À l’instant de Planck, il y a eu une brisure de symétrie spontanée et l’interaction gravitationnelle s’est dissociée des trois autres interactions. Les théories qui décrivent l’unification des forces nucléaires forte et faible, et l’électromagnétisme sont appelées « Grand Unified Theories » (abrégé par GUTs), et sont nombreuses.

Normalement, l’interaction nucléaire forte se dissocie de la force électrofaible à une température de 10²⁷ K par une brisure de symétrie spontanée. Ce serait du moins le cas si l’univers avait été réellement « vide » lorsqu’il a atteint cette température. Le vide est définit, en physique quantique, comme le niveau d’énergie fondamentale d’un système. Cependant, l’énergie de l’univers à l’époque des GUTs, était grandement supérieure à cette énergie fondamentale, l’énergie de point zéro. L’univers était donc dans un état qu’on qualifie de faux vide. Lorsque sa température atteint 10²⁷ K, à t=10^-34 s, l’univers est entré dans un état semblable à celui de la surfusion de l’eau, à cause de la très haute densité d’énergie du faux vide. L’eau, lorsqu’elle est refroidit très rapidement, peut demeurer liquide même à des températures inférieures à son point de fusion à cause de sa chaleur latente de fusion assez élevée. Lorsque la chaleur latente de fusion est relâchée, l’eau peut se solidifier et devenir de la glace. C’est un peu ce qui est arrivé à l’univers lorsque sa température est descendue sous 10²⁷ K. L’énergie du faux vide était tellement grande, que l’interaction nucléaire forte ne s’est pas dissociée spontanément de l’interaction électrofaible, l’univers est alors entré dans une phase d’expansion exponentielle, l’inflation.

L’inflation a en fait commencé lorsque des bulles de vrai vide se sont formées à l’intérieur d’un univers formé principalement de faux vide. Comme la pression du faux vide était négative et que celle à l’intérieur des bulles était positive, les bulles ont pu grossir à très grande vitesse. La pression jouait en fait le rôle de constante cosmologique. Une de ces bulles contenait notre univers, elle avait un rayon initial de 3 x 10^-24 cm, pour atteindre un rayon de 9 x 10¹⁹ cm à la fin de l’inflation. L’univers atteint une température d’environ 3 K durant son inflation. L’inflation s’arrête finalement, lorsque l’énergie du faux vide est relâchée et que la force nucléaire forte se dissocie de la force électrofaible. L’énergie ainsi relâchée suffit à réchauffer l’univers jusqu’à une température voisine de celle qu’il avait avant sa phase d’inflation. On croit que l’énergie du faux vide aujourd’hui est à toute fin pratique nulle. La phase inflationnaire a duré au mois 10^-32 s et le facteur d’expansion a été d’environ e¹⁰⁰ (on parle même de 10⁵⁰).

Après cette phase d’inflation, l’expansion de l’univers continue normalement, de la manière décrite par la théorie du Big Bang classique. Après l’inflation, il y a formation des premières particules de matières (leptons, quarks et leurs antiparticules) et de neutrinos à partir de l’énergie qui a été relâchée. À une température de 3 x 10¹⁵ K, soit à t=10^-12 s, les forces nucléaire faible et électromagnétique deviennent indépendantes par une brisure de symétrie spontanée. Cette brisure de symétrie produit des bosons intermédiaires massifs qui seraient indissociables des photons autrement. Par la suite, à t=10^-6 s, les quarks se combinent pour former des hadrons et les baryons forment ensuite les premiers noyaux atomiques d’hydrogène et d’hélium, trois minutes après les débuts de l’univers.

Environ 300 000 ans plus tard, il y a découplage de la lumière lorsque les noyaux atomiques capturent des électrons. L’univers est alors à une température de 3000K et devient transparent, les photons peuvent se déplacer librement sans interagir en permanence avec les électrons libres. Les photons ainsi libérés forment le rayonnement fossile qu’on peut observer dans toutes les directions, et constituent la presque totalité des photons de l’univers. Le rayonnement de fond cosmologique présente maintenant un spectre de corps noir d’une température de 3K.

Le problème d’horizon

L’émission du rayonnement de fond cosmologique (aussi appelé rayonnement fossile) était prévue par la théorie du Big Bang classique. Son observation fût d’ailleurs la consécration de cette théorie. Cependant, les scientifiques se sont rendu compte que ce rayonnement était très homogène en température (voir la figure 2), ce qui était impossible dans la théorie du Big Bang classique. Pour que la température de l’univers soit aussi homogène lors de l’émission du rayonnement fossile, il fallait qu’il ait déjà été plus petit que sa sphère de causalité à un moment dans le passé. D’après la théorie du Big Bang, l’univers n’avait jamais été aussi petit, toutes ses parties ne pouvaient donc pas avoir interagi et l’univers n’aurait jamais pu atteindre l’équilibre thermodynamique. Cette homogénéité de la température indique aussi que la distribution de matière (ou d’énergie) dans le tout jeune univers devait être très homogène, ce qui ne pouvait pas être expliqué.

En introduisant une phase d’inflation au tout début de l’univers, on pouvait expliquer ces observations. L’univers a donc été assez petit pour qu’il soit en équilibre thermodynamique avant sa phase inflationnaire. De plus, la moindre fluctuation de température, et de densité de matière, était tout simplement diluée par l’inflation.

Le problème de planéité

D’après la théorie, il existe trois types d’univers possibles (voir la figure 3), qui décrivent l’évolution de l’univers selon le rapport de sa densité avec la densité critique. La densité critique est la limite entre un univers fermé, qui subit une phase d’expansion suivie d’une phase de contraction – un Big Crunch, et un univers ouvert, dont l’expansion a lieu jusqu’à l’infini. La densité critique actuelle de l’univers est d’une masse de proton par mètre cube. Avec les observations faites jusqu’à maintenant, tout porte à croire que l’univers est presque plat (donc ). En fait, si la densité de l’univers avait dévié que très légèrement de la densité critique lors de sa formation, l’expansion aurait amplifié cette déviation et la densité de l’univers actuel serait très éloignée de la densité critique actuelle. De plus, on croit que les univers ouvert et fermé n’auraient pas pu évoluer vers l’univers tel qu’on l’observe aujourd’hui, on croit même que l’émergence de la vie y aurait été impossible. Il fallait donc que l’univers ait exactement la densité critique lors de sa création et on n’arrivait pas à s’expliquer pourquoi il en était ainsi sans faire intervenir une certaine « volonté » de l’univers de favoriser l’apparition de la vie.

L’inflation permet d’expliquer la planéité de l’univers. Quel que soit le rayon de courbure de l’univers avant l’inflation, il tend vers l’infini après. L’expansion exponentielle de l’univers aplani considérablement l’univers et toutes les variations locales de sa courbure. On peut ensuite calculer la densité de l’univers :

avec s. Puisque R, le rayon de courbure de l’univers, est très grand à la fin de l’inflation, tend vers un et la courbure, vers zéro. Notre univers serait donc du type marginalement ouvert, ce qui signifie qu’il subira une expansion infinie, dont la vitesse tendra vers zéro.

Problème de l’asymétrie matière/antimatière

D’après les observations, l’univers dans lequel nous vivons est exclusivement constitué de matière. Si l’univers contenait autant de matière que d’antimatière, on observerait des sources de rayons gamma très importantes aux endroits où il y aurait annihilation. Aucune observation de ce genre n’a encore été faite. On évalue que l’univers contient environ 0,01% d’antimatière alors qu’il devrait contenir autant de matière que d’antimatière.

À la fin de l’inflation, lorsque la force nucléaire forte s’est dissociée de la force électrofaible, il y a eu création de bosons X massifs (m ~ 10¹⁵ GeV) à partir de l’énergie du faux vide qui a été relâchée. Ces particules se désintégraient pour donner des quarks ou des antiquarks selon les deux réactions suivantes :

La première réaction étant légèrement plus fréquente que la deuxième, il s’est créé un léger surplus de quarks (un quark supplémentaire par milliard de paire de quark/antiquark). Au départ, les réactions s’effectuaient autant d’un sens que de l’autre et, lorsque la température est descendue assez bas, il y a eu formation d’une soupe de quarks et d’antiquarks. Ensuite, à t=10^-6 s, les quarks se sont combinés pour donner des baryons, et les antiquarks, des antibaryons, qui se sont ensuite annihilés, laissant un léger surplus de baryons.

En plus d’expliquer l’asymétrie matière/antimatière, on peut aussi expliquer le rapport baryon/photons qui est très petit. En effet, l’annihilation de chaque paire de particule/antiparticule crée un photon. On devrait donc retrouver un milliard de photons pour chaque baryon restant. On ne peut cependant plus observer les particules X, car nous vivons dans un univers à basse énergie.

La configuration de l’univers

Les physiciens se sont plusieurs fois posés différentes questions sur les propriétés de notre univers. Pourquoi n’y aurait-il pas eu plus ou moins de dimensions de temps et d’espace ? Pourquoi les lois de la physique sont-elles celles qu’on connaît ? Pourquoi n’y a-t-il pas plus (ou moins) d’interactions fondamentales qui régissent l’univers ? Plusieurs autres théories ont tenté de répondre à ces questions fondamentales. Certains prétendaient qu’il y avait eu plus de quatre dimensions dans le passé et que certaines s’étaient effondrées sur elles-mêmes. Encore là on est en droit de se demander pourquoi l’effondrement s’est arrêté à quatre dimensions. Avec la théorie de l’inflation primordiale, on n’a plus besoin d’expliquer pourquoi l’univers est tel qu’on l’observe aujourd’hui.

Chacune des bulles qui s’est développée lors de l’inflation a formé son propre univers, avec ses propres lois de la physique, ses propres constantes de couplage, ses propres dimensions, dont le nombre varie d’un univers à l’autre. L’univers que nous sommes en mesure d’observer en est un parmi tant d’autres. Chaque partie de l’univers a pris une « direction » différente lors de la brisure de symétrie spontanée qui a eu lieu lors de la fin de l’époque des GUTs. La « direction » que chaque zone a prise implique non pas une orientation spatiale, mais plutôt un « choix » de certaines valeurs discrètes, semblables aux nombres quantiques. Ce choix est déterminé par les champs quantiques impliqués, comme les champs de Higgs. Nous n’avons donc plus à expliquer la configuration de notre univers, nous vivons dans un univers parmi tant d’autres, dans un univers qui, par ses propriétés physiques, a permis l’émergence de la vie.

La rareté des objets exotiques

La théorie du Big Bang prévoyait la formation d’un grand nombre d’objets exotiques comme les monopôles magnétiques, les trous noirs primordiaux, les gravitinos, les cordes et autres. Cependant aucun n’a encore été observé à ce jour. De plus, étant pour la plupart très massifs, ces objets devraient avoir un effet gravitationnel considérable sur la matière de l’univers, ce qui, encore une fois, n’a pu être observé. Les physiciens croient que ces objets existent bien, mais qu’ils ont été tellement dilués par l’inflation qu’on ne peut les détecter dans l’univers observable.

La formation de certains de ces objets a eu lieu à la limite des différentes zones de l’univers. Entre chacune de ces zones, il s’est formé des défauts là où il y avait discontinuité dans le choix des valeurs. Ces objets se présentent sous plusieurs formes, selon le type de discontinuité où ils se sont formés (voir figure 4). Une discontinuité ponctuelle donne naissance à un monopôle magnétique, qui est un objet portant une charge magnétique. Une discontinuité linéaire donne lieu à une corde cosmique, alors qu’une discontinuité planaire donne lieu à une barrière de zone (domain wall en anglais). Ces défauts sont des « fantômes » du faux vide, encore dans un état de symétrie intacte avec une densité d’énergie de l’ordre de 10⁹⁵ erg/cm³. On croit que les monopôles et les barrières de zone sont restés à la surface des bulles et qu’ils n’étaient que quelques-uns uns par bulles, de là leur rareté.

La formation de structures

On s’est aussi demandé pourquoi des structures comme les galaxies, les amas de galaxies et les superamas (voir la figure 5a) ont pu se former dans un univers aussi homogène que celui qui a émis le rayonnement fossile. Pour que la matière puissent s’agglomérer pour former ces structures, il fallait qu’il y ait des fluctuations de densité de matière ou d’énergie. Aussi, puisque l’univers a subit une phase d’inflation et que toute densité de matière aurait été diluée, comment les embryons de galaxies ont-ils pu apparaître. On croit maintenant que certaines fluctuations quantiques infimes, qui se présentaient comme un bruit de fond dans l'univers pré-inflationnaire, aurait pu survivre à la période d'inflation. Ce qui en est resté après l'inflation, aurait été suffisant pour permettre la formation d'agglomérations de matière à l'origine des structures que l'on observe aujourd'hui.

On pourrait aussi se demander si ce ne serait pas autour d'objets exotiques massifs que les galaxies auraient pu prendre forme. Pour ce qui est des trous noirs primordiaux et des monopôles magnétiques, c'est peu probable malgré leur très grande masse (la masse d'un monopôle est d'environ 10¹⁵ fois la masse du proton). Ayant été très dilués par l'inflation, ils sont maintenant trop rares pour avoir un effet gravitationnel de grande envergure comme celui qui est nécessaire à la formation de galaxies. Les cordes cosmiques sont cependant de bonnes candidates en tant que « graines » de galaxies. Elles sont infiniment longues ou se présentent sous forme de boucles, ont une densité linéique d’environ 10²¹ g/cm et ne sont pas aussi rares que les autres objets, elles ont donc un effet gravitationnel appréciable sur la matière.

Les cordes cosmiques s’enrouleraient sur elles-mêmes avant de former de plus petites boucles. Ces boucles se désintégreraient en émettant des ondes gravitationnelles qui, en voyageant à des vitesses relativistes, laisseraient derrière elles des zones de plus grande densité d’énergie sous forme de feuilles. C’est autour de ces « feuilles » que se seraient formé les murs de galaxies qu’on observe aujourd’hui en laissant de grands vides entre eux (voir la figure 5b).

La nouvelle inflation

La théorie de l’inflation proposée par Alan Guth avait le grand avantage de résoudre plusieurs problèmes qui étaient posés par la théorie du Big Bang. On pensait donc être sur la voie de mieux expliquer l’univers en y ayant recours. Cependant, même cette théorie avait ses failles. En effet, l’inflation telle que décrite par Guth aurait donné lieu à un univers plus inhomogène que le nôtre à grande échelle. C’est pourquoi de nouvelles théories de l’inflation ont été introduites. Parmi celles-ci, on retrouve, entre autres, celle du physicien russe Andrei Linde. Selon lui, il ne faudrait plus parler de plusieurs bulles indépendantes, mais plutôt de bulles intereliées qui se développent de manière fractale (chaque partie du tout ressemble au tout). Il y aurait donc eu création d’un univers à partir duquel plusieurs bulles se seraient formées de façon indépendante. Ces nouvelles bulles seraient en fait des points de l’univers qui seraient entrés en expansion en eux-mêmes, sans affecter l’univers originel. Chacun de ces univers aurait ses propres lois de la physique et pourrait donner naissance à d’autres univers, et ainsi de suite. Ce mécanisme donnerait lieu à un univers auto-reproducteur infini dans le temps et dans l’espace.