Le big bang était-il vraiment le début du temps? Ou est ce que l’univers existe avant? Une telle question semblait presque blasphématoire il y a seulement dix ans. La plupart des cosmologistes ont insisté sur le fait que cela n’avait tout simplement aucun sens that que de contempler un temps avant le big bang était comme demander des directions vers un endroit au nord du pôle Nord. Mais les développements de la physique théorique, en particulier l’essor de la théorie des cordes, ont changé leur perspective. L’univers pré-bang est devenu la dernière frontière de la cosmologie.,

la nouvelle volonté de considérer ce qui aurait pu se passer avant le bang est le dernier balancement d’un pendule intellectuel qui a basculé pendant des millénaires. Sous une forme ou une autre, la question du commencement ultime a engagé des philosophes et des théologiens dans presque toutes les cultures. Il est enlacé avec un grand ensemble de préoccupations, dont une célèbre encapsulée dans un tableau de 1897 de Paul Gauguin: d’ou venons-nous? Que sommes-nous? Ou allons-nous? D’où venons-nous? Que sommes-nous? Où allons-nous?, La pièce dépeint le cycle de la naissance, de la vie et de la mort-l’origine, l’identité et le destin de chaque individu-et ces préoccupations personnelles se connectent directement aux préoccupations cosmiques. Nous pouvons retracer notre lignée à travers les générations, à travers nos ancêtres animaux, aux premières formes de vie et de protolife, aux éléments synthétisés dans l’Univers primordial, à l’énergie amorphe déposée dans l’espace avant cela. Notre arbre généalogique s’étendent à jamais en arrière? Ou faire ses racines résilier? Le cosmos est-il aussi impermanent que nous?

Les anciens Grecs débattirent férocement de l’origine du temps., Aristote, prenant le parti du non-commencement, a invoqué le principe que de rien, rien ne vient. Si l’univers n’a jamais pu passer du néant à quelque chose, il doit toujours avoir existé. Pour cette raison et d’autres, le temps doit s’étirer éternellement dans le passé et l’avenir. Les théologiens chrétiens avaient tendance à prendre le point de vue opposé. Augustin a soutenu que Dieu existe en dehors de l’espace et du temps, capable de faire exister ces constructions aussi sûrement qu’il pourrait forger d’autres aspects de notre monde. Quand on lui demande, que faisait Dieu avant de créer le monde?, Augustin répondit, le temps lui-même faisant partie de la création de Dieu, il n’y en avait tout simplement pas avant!

La Théorie générale de la relativité D’Albert Einstein a conduit les cosmologistes modernes à la même conclusion. La théorie soutient que l’espace et le temps sont des entités molles et malléables. Sur les plus grandes échelles, l’espace est naturellement dynamique, en expansion ou en contraction au fil du temps, transportant de la matière comme du bois flotté sur la marée. Les astronomes ont confirmé dans les années 1920 que notre univers est actuellement en expansion: des galaxies lointaines s’éloignent les unes des autres. Une conséquence, comme les physiciens Stephen W., Hawking et Roger Penrose ont prouvé dans les années 1960 que le temps ne peut pas se prolonger indéfiniment. Alors que vous jouez l’histoire cosmique en arrière dans le temps, les galaxies se réunissent à un seul point infinitésimal, connu sous le nom de singularité almost presque comme si elles descendaient dans un trou noir. Chaque galaxie ou son précurseur est réduit à une taille nulle. Les quantités telles que la densité, la température et la courbure de l’espace-temps deviennent infinies. La singularité est le cataclysme ultime, au-delà duquel notre ascendance cosmique ne peut s’étendre.

la singularité inévitable pose de sérieux problèmes aux cosmologistes., En particulier, il est mal à l’aise avec le haut degré d’homogénéité et d’isotropie que l’univers présente à grande échelle. Pour que le cosmos soit globalement le même partout, une sorte de communication devait passer entre les régions lointaines de l’espace, en coordonnant leurs propriétés. Mais l’idée d’une telle communication, contredit l’ancien paradigme cosmologique.

pour être précis, considérez ce qui s’est passé au cours des 13,7 milliards d’années écoulées depuis la libération du rayonnement de fond cosmique micro-ondes., La distance entre les galaxies a augmenté d’un facteur d’environ 1 000 (à cause de l’expansion), tandis que le rayon de l’univers observable a augmenté d’un facteur beaucoup plus important d’environ 100 000 (parce que la lumière dépasse l’expansion). Nous voyons aujourd’hui des parties de l’univers que nous n’aurions pas pu voir il y a 13,7 milliards d’années. En effet, c’est la première fois dans l’histoire cosmique que la lumière des galaxies les plus lointaines atteint la Voie Lactée.

étrange coïncidence

néanmoins, les propriétés de la Voie lactée sont fondamentalement les mêmes que celles des galaxies lointaines., C « est comme si vous vous êtes présenté à une fête pour constater que vous portiez exactement les mêmes vêtements qu » une douzaine de vos amis les plus proches. Si seulement deux d’entre vous étaient habillés de la même manière, cela pourrait être expliqué comme une coïncidence, mais une douzaine suggère que les fêtards avaient coordonné leur tenue à l’avance. En cosmologie, le nombre n’est pas une douzaine mais des dizaines de milliers-le nombre de plaques de ciel indépendantes mais statistiquement identiques dans le fond micro-ondes.,

une possibilité est que toutes ces régions de l’espace ont été dotées à la naissance de propriétés identiques in en d’autres termes, que l’homogénéité est une simple coïncidence. Les physiciens, cependant, ont pensé à deux façons plus naturelles de sortir de l’impasse: l’univers primitif était beaucoup plus petit ou beaucoup plus ancien que dans la cosmologie standard. L’un ou l’autre (ou les deux, agissant ensemble) aurait rendu l’intercommunication possible.

le choix Le plus populaire suit la première alternative. Il postule que l’univers a traversé une période d’expansion accélérée, connue sous le nom d’inflation, au début de son histoire., Avant cette phase, les galaxies ou leurs précurseurs étaient si étroitement emballés qu’ils pouvaient facilement coordonner leurs propriétés. Pendant l’inflation, ils sont tombés hors de contact parce que la lumière était incapable de suivre le rythme de l’expansion frénétique. Après la fin de l’inflation, l’expansion a commencé à ralentir, de sorte que les galaxies sont progressivement revenues dans la vue de l’autre.

les physiciens attribuent la poussée inflationniste à l’énergie potentielle stockée dans un nouveau champ quantique, l’inflaton, environ 1035 secondes après le big bang. L’énergie potentielle, par opposition à la masse de repos ou à l’énergie cinétique, entraîne une répulsion gravitationnelle., Plutôt que de ralentir l’expansion, comme la gravitation de la matière ordinaire, l’inflaton précipiter. Proposée en 1981, l’inflation a expliqué avec précision une grande variété d’observations . Un certain nombre de problèmes théoriques possibles restent, cependant, à commencer par les questions de savoir ce qu’était exactement l’inflaton et ce qui lui a donné une telle énergie potentielle initiale énorme.

Une façon moins connue de résoudre le puzzle suit la deuxième alternative en se débarrassant de la singularité., Si le temps n’a pas commencé au bang, si une longue ère a précédé le début de l’expansion cosmique actuelle, la matière aurait pu avoir beaucoup de temps pour s’organiser en douceur. Par conséquent, les chercheurs ont réexaminé le raisonnement qui les a amenés à déduire une singularité.

l’Une des hypothèses–que la théorie de la relativité est toujours valide–est discutable. Proches de la singularité putative, les effets quantiques ont dû être importants, voire dominants. La relativité Standard ne tient pas compte de tels effets, donc accepter l’inévitabilité de la singularité revient à faire confiance à la théorie au-delà de la raison., Pour savoir ce qui s’est réellement passé, les physiciens doivent subsumer la relativité dans une théorie quantique de la gravité. La tâche a occupé les théoriciens à partir D’Einstein, mais les progrès ont été presque nuls jusqu’au milieu des années 1980.

Evolution of a Revolution

AUJOURD’hui, deux approches se distinguent. L’un, qui porte le nom de gravitation quantique à boucles, conserve la théorie d’Einstein essentiellement intacte, mais modifie la procédure de sa mise en œuvre en mécanique quantique . Les praticiens de la gravitation quantique à boucles ont fait de grands progrès et obtenu des connaissances approfondies au cours des dernières années., Pourtant, leur approche n’est peut-être pas assez révolutionnaire pour résoudre les problèmes fondamentaux de la quantification de la gravité. Un problème similaire a été rencontré par les théoriciens des particules après Qu’Enrico Fermi a présenté sa théorie efficace de la force nucléaire faible en 1934. Tous les efforts pour construire une version quantique de la théorie de Fermi ont lamentablement échoué. Ce qui était nécessaire n’était pas une nouvelle technique mais les modifications profondes apportées par la théorie électrofaible de Sheldon L. Glashow, Steven Wein-berg et Abdus Salam à la fin des années 1960.,

la deuxième approche, que je considère plus prometteuse, est la théorie des cordes-une modification vraiment révolutionnaire de la théorie D’Einstein. Cet article se concentrera là-dessus, bien que les partisans de la gravitation quantique à boucles prétendent parvenir à bon nombre des mêmes conclusions.

La théorie des cordes est née d’un modèle que j’ai écrit en 1968 pour décrire le monde des particules nucléaires (telles que les protons et les neutrons) et leurs interactions. Malgré beaucoup d’excitation initiale, le modèle a échoué., Il a été abandonné plusieurs années plus tard au profit de la chromodynamique quantique, qui décrit les particules nucléaires en termes de constituants plus élémentaires, les quarks. Les Quarks sont confinés à l’intérieur d’un proton ou d’un neutron, comme s’ils étaient liés par des cordes élastiques. Rétrospectivement, la théorie des cordes originale avait capturé ces aspects filandreux du monde nucléaire. Ce n’est que plus tard qu’il a été relancé en tant que candidat pour combiner la relativité générale et la théorie quantique.

l’idée de base est que les particules élémentaires ne sont pas pointues mais plutôt des objets unidimensionnels infiniment minces, les chaînes., Le grand zoo de particules élémentaires, chacune avec ses propres propriétés caractéristiques, reflète les nombreux modèles de vibration possibles d’une chaîne. Comment une théorie aussi simple d’Esprit peut-elle décrire le monde compliqué des particules et de leurs interactions? La réponse peut être trouvée dans ce que nous pouvons appeler la magie quantique des cordes. Une fois que les règles de la mécanique quantique sont appliquées à une corde vibrante-tout comme une corde de violon miniature, sauf que les vibrations se propagent le long de celle-ci à la vitesse de la lumière-de nouvelles propriétés apparaissent. Tous ont des implications profondes pour la physique des particules et la cosmologie.,

Premièrement, les chaînes quantiques ont une taille finie. N’eût été des effets quantiques, une corde de violon pourrait être coupée en deux, coupée en deux à nouveau et ainsi de suite tout le chemin vers le bas, devenant finalement une particule pointlike sans masse. Mais le principe D’incertitude de Heisenberg finit par s’immiscer et empêche les cordes les plus légères d’être coupées plus petites qu’environ 1034 mètres. Ce quantum irréductible de longueur, noté ls, est une nouvelle constante de la nature introduite par la théorie des cordes côte à côte avec la vitesse de la lumière, c, et la constante de Planck, H., Il joue un rôle crucial dans presque tous les aspects de la théorie des cordes, en mettant une limite finie sur des quantités qui autrement pourraient devenir soit nul ou infini.

Deuxièmement, les chaînes quantiques peuvent avoir un moment angulaire même si elles manquent de masse. En physique classique, le moment angulaire est une propriété d’un objet qui tourne par rapport à un axe. La formule du moment angulaire multiplie ensemble la vitesse, la masse et la distance par rapport à l’axe; par conséquent, un objet sans masse ne peut pas avoir de moment angulaire. Mais les fluctuations quantiques changent la situation., Une minuscule chaîne peut acquérir jusqu’à deux unités de H de moment angulaire sans gagner de masse. Cette caractéristique est la bienvenue car elle correspond précisément aux propriétés des porteurs de toutes les forces fondamentales connues, telles que le photon (pour l’électromagnétisme) et le graviton (pour la gravité). Historiquement, le moment angulaire est ce que les physiciens ont compris des implications quantiques-gravitationnelles de la théorie des cordes.

Troisièmement, les chaînes quantiques exigent l’existence de dimensions supplémentaires de l’espace, en plus des trois habituelles., Alors qu’une corde de violon classique vibrera quelles que soient les propriétés de l’espace et du temps, une corde quantique est plus délicate. Les équations décrivant la vibration deviennent incohérentes à moins que l’espace-temps soit fortement incurvé (en contradiction avec les observations) ou contienne six dimensions spatiales supplémentaires.

Quatrièmement, les constantes physiques-telles que les constantes de Newton et de Coulomb, qui apparaissent dans les équations de la physique et déterminent les propriétés de la nature-n’ont plus de valeurs arbitraires et fixes., Ils se produisent dans la théorie des cordes comme des Champs, un peu comme le champ électromagnétique, qui peuvent ajuster leurs valeurs dynamiquement. Ces champs peuvent avoir pris des valeurs différentes à différentes époques cosmologiques ou dans des régions éloignées de l’espace, et même aujourd’hui, les constantes physiques peuvent varier d’une petite quantité. Observer toute variation donnerait un énorme coup de pouce à la théorie des cordes.

un de ces champs, appelé dilaton, est la clé principale de la théorie des cordes; il détermine la force globale de toutes les interactions., Le dilaton fascine les théoriciens des cordes parce que sa valeur peut être réinterprétée comme la taille d’une dimension supplémentaire de l’espace, donnant un grand total de 11 dimensions de l’espace-temps.

attacher les extrémités libres

enfin, les chaînes quantiques ont introduit aux physiciens de nouvelles symétries frappantes de la nature connues sous le nom de dualités, qui modifient notre intuition de ce qui se passe lorsque les objets deviennent extrêmement petits., J’ai déjà fait allusion à une forme de dualité: normalement, une corde courte est plus légère qu’une longue, mais si nous essayons de réduire sa taille en dessous de la longueur fondamentale ls, La corde devient à nouveau plus lourde.

Une autre forme de symétrie, la dualité en T, maintient que les petites et grandes dimensions supplémentaires sont équivalentes. Cette symétrie résulte du fait que les chaînes peuvent se déplacer de manière plus compliquée que les particules pointues. Considérons une chaîne fermée (une boucle) située sur un espace de forme cylindrique, dont la section circulaire représente une dimension supplémentaire finie., En plus de vibrer, la corde peut tourner dans son ensemble autour du cylindre ou s’enrouler autour de lui, une ou plusieurs fois, comme un élastique enroulé autour d’une affiche enroulée .

Le coût énergétique de ces deux états de la chaîne dépend de la taille de la bouteille. L’énergie de l’enroulement est directement proportionnelle au rayon du cylindre: les cylindres plus grands nécessitent que la ficelle s’étire davantage lorsqu’elle s’enroule, de sorte que les enroulements contiennent plus d’énergie que sur un cylindre plus petit., L’énergie associée au déplacement autour du cercle, en revanche, est inversement proportionnelle au rayon: Les cylindres plus grands permettent des longueurs d’onde plus longues (fréquences plus petites), qui représentent moins d’énergie que les longueurs d’onde plus courtes. Si un grand cylindre est remplacé par un petit, les deux états de mouvement peuvent échanger des rôles. Les énergies qui avaient été produites par le mouvement circulaire sont plutôt produites par l’enroulement, et vice versa. Un observateur extérieur ne remarque que les niveaux d’énergie, pas l’origine de ces niveaux. Pour cet observateur, les grands et les petits rayons sont physiquement équivalent.,

bien que la dualité T soit généralement décrite en termes d’espaces cylindriques, dans lesquels une dimension (la circonférence) est finie, une variante de celle-ci s’applique à nos trois dimensions ordinaires, qui semblent s’étirer indéfiniment. Il faut être prudent quand on parle de l’expansion d’un espace infini. Sa taille globale ne peut pas changer; elle reste infinie. Mais il peut encore se développer dans le sens où les corps qui y sont intégrés, tels que les galaxies, s’éloignent les uns des autres., La variable cruciale n’est pas la taille de l’espace dans son ensemble, mais son facteur d’échelle-le facteur par lequel la distance entre les galaxies change, se manifestant comme le décalage vers le rouge galactique que les astronomes observent. Selon la dualité T, les univers avec des facteurs à petite échelle sont équivalents à ceux avec des facteurs à grande échelle. Aucune symétrie de ce type n’est présente dans les équations D’Einstein; elle émerge de l’unification qu’incarne la théorie des cordes, le dilaton jouant un rôle central.,

pendant des années, les théoriciens des cordes ont pensé que la dualité T ne s’appliquait qu’aux cordes fermées, par opposition aux cordes ouvertes, qui ont des extrémités lâches et ne peuvent donc pas s’enrouler. En 1995, Joseph Polchinski, de L’Université de Californie à Santa Barbara, s’est rendu compte que la dualité T s’appliquait aux cordes ouvertes, à condition que le passage entre les grands et les petits rayons s’accompagne d’un changement des conditions aux extrémités de la corde. Jusque-là, les physiciens avaient postulé des conditions aux limites dans lesquelles aucune force n’agissait sur les extrémités des cordes, les laissant libres de se déplacer., Sous t-dualité, ces conditions deviennent des conditions aux limites dites de Dirichlet, par lesquelles les extrémités restent en place.

toute chaîne donnée peut mélanger les deux types de conditions aux limites. Par exemple, les électrons peuvent être des chaînes dont les extrémités peuvent se déplacer librement dans trois des 10 dimensions spatiales mais sont coincées dans les sept autres. Ces trois dimensions forment un sous-espace connu sous le nom de membrane de Dirichlet, ou d-brane. En 1996, Petr Horava de L’Université de Californie à Berkeley et Edward Witten de L’Institute for Advanced Study à Princeton, New Jersey, ont proposé que notre univers réside sur une telle brane., La mobilité partielle des électrons et d’autres particules explique pourquoi nous sommes incapables de percevoir la gloire complète de l’espace en 10 Dimensions.

toutes les propriétés magiques des chaînes quantiques pointent dans une direction: les chaînes détestent l’infini. Ils ne peuvent pas s’effondrer à un point infinitésimal, ils évitent donc les paradoxes que l’effondrement implique. Leur taille non nulle et leurs nouvelles symétries fixent des limites supérieures à des quantités physiques qui augmentent sans limite dans les théories conventionnelles, et elles fixent des limites inférieures à des quantités qui diminuent., Les théoriciens des cordes s’attendent à ce que lorsque l’on joue l’histoire de l’univers en arrière dans le temps, la courbure de l’espace-temps commence à augmenter. Mais au lieu d’aller jusqu’à l’infini (à la singularité traditionnelle du big bang), il finit par atteindre un maximum et se rétrécit une fois de plus. Avant la théorie des cordes, les physiciens avaient du mal à imaginer un mécanisme qui pourrait éliminer si proprement la singularité.

apprivoiser l’infini

les CONDITIONS proches du temps zéro du big bang étaient si extrêmes que personne ne sait encore comment résoudre les équations., Néanmoins, les théoriciens des cordes ont des suppositions hasardeuses sur l’univers pré-bang. Deux modèles populaires flottent autour.

le premier, connu sous le nom de scénario prebig bang, que mes collègues et moi avons commencé à développer en 1991, combine la dualité T avec la symétrie mieux connue de l’inversion du temps, dans laquelle les équations de la physique fonctionnent aussi bien lorsqu’elles sont appliquées en arrière et en avant dans le temps. La combinaison donne lieu à de nouvelles cosmologies possibles dans lesquelles l’univers, disons, cinq secondes avant le big bang s’est développé au même rythme que cinq secondes après le bang., Mais le taux de variation de l’expansion était opposé aux deux instants: s’il décélérait après le bang, il accélérait avant. Bref, le big bang n’a peut-être pas été l’origine de l’univers mais simplement une transition violente de l’accélération à la décélération.

la beauté de cette image est qu’elle intègre automatiquement la grande perspicacité de la théorie inflationniste standard-à savoir que l’univers a dû subir une période d’accélération pour devenir si homogène et isotrope., Dans la théorie standard, l’accélération se produit après le big bang à cause d’un champ d’inflaton ad hoc. Dans le scénario prebig bang, il se produit avant le bang comme un résultat naturel des nouvelles symétries de la théorie des cordes.

selon le scénario, l’univers pré-bang était presque une image miroir parfaite de l’univers post-bang . Si l’univers est éternel dans le futur, son contenu s’amincissant à un maigre gruau, il est également éternel dans le passé. Il y a infiniment longtemps, il était presque vide, rempli seulement d’un gaz ténu, largement dispersé, chaotique de rayonnement et de matière., Les forces de la nature, contrôlées par le champ de dilaton, étaient si faibles que les particules de ce gaz interagissaient à peine.

Au fil du temps, les forces ont gagné en force et ont rassemblé la matière. Au hasard, certaines régions ont accumulé de la matière au détriment de leur environnement. Finalement, la densité dans ces régions est devenue si élevée que des trous noirs ont commencé à se former. La matière à l’intérieur de ces régions a ensuite été coupée de l’extérieur, brisant l’univers en morceaux déconnectés.

à l’Intérieur d’un trou noir, l’espace et le temps d’échanger les rôles., Le centre du trou noir n’est pas un point dans l’espace, mais un instant dans le temps. À mesure que la matière infallante s’approchait du centre, elle atteignait des densités de plus en plus élevées. Mais lorsque la densité, la température et la courbure ont atteint les valeurs maximales autorisées par la théorie des cordes, ces quantités ont rebondi et ont commencé à diminuer. Le moment de renversement est ce que nous appelons un big bang. L’intérieur d’un de ces trous noirs est devenu notre univers.

Sans surprise, un tel scénario non conventionnel a suscité la controverse., Andrei Linde de L’Université de Stanford a soutenu que pour que ce scénario corresponde aux observations, le trou noir qui a donné naissance à notre univers devrait s’être formé avec une taille inhabituellement grande-beaucoup plus grande que l’échelle de longueur de la théorie des cordes. Une réponse à cette objection est que les équations prédisent des trous noirs de toutes tailles possibles. Notre univers vient de se passer à l’intérieur suffisamment grand.,

une objection plus sérieuse, soulevée par Thibault Damour de L’Institut des Hautes tudes Scientifiques de Bures-sur-Yvette, France, et Marc Henneaux de L’Université Libre de Bruxelles, est que la matière et l’espace-temps se seraient comportés de manière chaotique près du moment du bang, en contradiction possible avec la régularité observée de l’univers primitif. J’ai récemment proposé qu’un état chaotique produirait un gaz dense de trous de cordes miniatures strings des cordes si petites et massives qu’elles étaient sur le point de devenir des trous noirs., Le comportement de ces trous pourrait résoudre le problème identifié par Damour et Henneaux. Une proposition similaire a été proposée par Thomas Banks de L’Université Rutgers et Willy Fischler de l’Université du Texas à Austin. D’autres critiques existent également, et si elles ont découvert une faille fatale dans le scénario reste à déterminer.

l’autre modèle principal pour l’univers avant le bang est le scénario ekpyrotique (conflagration). Développé il y a cinq ans par une équipe de cosmologistes et de théoriciens des cordes Justin Justin Khoury de L’Université Columbia, Paul J., Steinhardt de L’Université de Princeton, Burt A. Ovrut de L’Université de Pennsylvanie, Nathan Seiberg de L’Institute for Advanced Study et Neil Turok de L’Université de Cambridge the le scénario ekpyrotique repose sur L’idée Horava-Witten mentionnée précédemment selon laquelle notre univers se trouve à une extrémité d’un espace de dimension supérieure et une brane cachée se trouve à l’extrémité opposée. Les deux branes exercent une force attractive l’une sur l’autre et entrent parfois en collision, ce qui fait que la dimension supplémentaire rétrécit à zéro avant de croître à nouveau. Le big bang correspondrait au moment de la collision .,

Dans une variante de ce scénario, les collisions se produisent de façon cyclique. Deux branes peuvent se frapper, rebondir l’une sur l’autre, s’écarter, se ressaisir, se frapper à nouveau, etc. Entre les collisions, les branes se comportent comme du mastic stupide, se dilatant à mesure qu’elles reculent et se contractant quelque peu à mesure qu’elles reviennent ensemble. Pendant le retournement, le taux d’expansion s’accélère; en effet, l’expansion accélérée actuelle de l’univers peut augurer une autre collision.

Les scénarios prebig bang et ekpyrotic partagent certaines caractéristiques communes., Les deux commencent par un vaste univers froid, presque vide, et tous deux partagent le problème difficile (et non résolu) de faire la transition entre la phase pré – et la phase post-bang. Mathématiquement, la principale différence entre les scénarios est le comportement du champ dilaton. Dans le prébig bang, le dilaton commence avec une faible valeur-de sorte que les forces de la nature sont faibles-et gagne régulièrement en force. L’inverse est vrai pour le scénario ekpyrotique, dans lequel la collision se produit lorsque les forces sont les plus faibles.,

Les développeurs de la théorie ekpyrotique espéraient initialement que la faiblesse des forces permettrait d’analyser plus facilement le rebond, mais ils étaient toujours confrontés à une situation difficile de haute courbure, de sorte que le jury est sur la question de savoir si le scénario évite vraiment une singularité. En outre, le scénario ekpyrotique doit entraîner des conditions très spéciales pour résoudre les énigmes cosmologiques habituelles. Par exemple, les branes sur le point d’entrer en collision doivent avoir été presque exactement parallèles les unes aux autres, sinon la collision n’aurait pas pu donner lieu à un bang suffisamment homogène., La version cyclique peut être en mesure de prendre en charge ce problème, car des collisions successives permettraient aux branes de se redresser.

laissant de côté la tâche difficile de justifier pleinement mathématiquement ces deux scénarios, les physiciens doivent se demander s’ils ont des conséquences physiques observables. À première vue, les deux scénarios peuvent sembler être un exercice non pas en physique, mais en métaphysique-des idées intéressantes que les observateurs ne pourraient jamais prouver à tort ou à raison. Cette attitude est trop pessimiste., Comme les détails de la phase inflationniste, ceux d’une éventuelle époque pré-bangienne pourraient avoir des conséquences observables, en particulier pour les petites variations observées dans la température de fond cosmique des micro-ondes.

Tout d’abord, les observations montrent que les fluctuations de température ont été façonnées par les ondes acoustiques pendant plusieurs centaines de milliers d’années. La régularité des fluctuations indique que les ondes ont été synchronisées. Les cosmologistes ont rejeté de nombreux modèles cosmologiques au fil des ans parce qu’ils n’ont pas tenu compte de cette synchronisation., Les scénarios inflationnistes, prébig bang et ekpyrotiques passent tous ce premier test. Dans ces trois modèles, les ondes ont été déclenchées par des processus quantiques amplifiés pendant la période d’accélération de l’expansion cosmique. Les phases des vagues étaient alignées.

Deuxièmement, chaque modèle prédit une distribution différente des fluctuations de température par rapport à la taille angulaire. Les observateurs ont constaté que les fluctuations de toutes tailles ont approximativement la même amplitude. (Les écarts discernables ne se produisent que sur de très petites échelles, pour lesquelles les fluctuations primordiales ont été modifiées par des processus ultérieurs.,) Les modèles inflationnistes reproduisent parfaitement cette distribution. Pendant l’inflation, la courbure de l’espace a changé relativement lentement, de sorte que des fluctuations de différentes tailles ont été générées dans les mêmes conditions. Dans les deux modèles filandreux, la courbure a évolué rapidement, augmentant l’amplitude des fluctuations à petite échelle, mais d’autres processus ont stimulé les fluctuations à grande échelle, laissant toutes les fluctuations avec la même force. Pour le scénario ekpyrotique, ces autres processus impliquaient la dimension supplémentaire de l’Espace, celle qui séparait les branes en collision., Pour le scénario prebig bang, ils ont impliqué un champ quantique, l’axion, lié au dilaton. En bref, les trois modèles correspondent aux données.

Troisièmement, les variations de température peuvent résulter de deux processus distincts dans l’univers primitif: les fluctuations de la densité de la matière et les ondulations causées par les ondes gravitationnelles. L’Inflation implique les deux processus, alors que les scénarios prebig bang et ekpyrotic impliquent principalement des variations de densité. Les ondes gravitationnelles de certaines tailles laisseraient une signature distinctive dans la polarisation du fond micro-ondes ., Les futurs observatoires, comme le satellite Planck de l’Agence spatiale européenne, devraient pouvoir voir cette signature, si elle existe providing fournissant un test presque définitif.

Un quatrième test concerne les statistiques des fluctuations. Dans l’inflation, les fluctuations suivent une courbe en forme de cloche, connue des physiciens sous le nom de gaussienne. La même chose peut être vraie dans le cas ekpyrotique, alors que le scénario prebig bang permet un écart important par rapport à la Gaussianité.

L’analyse du fond micro-ondes n’est pas le seul moyen de vérifier ces théories., Le scénario prebig bang devrait également produire un fond aléatoire d’ondes gravitationnelles dans une gamme de fréquences qui, bien que non pertinentes pour le fond micro-ondes, devraient être détectables par les futurs observatoires d’ondes gravitationnelles. De plus, parce que les scénarios prébig bang et ekpyrotic impliquent des changements dans le champ de dilaton, qui est couplé au champ électromagnétique, ils conduiraient tous deux à des fluctuations de champ magnétique à grande échelle. Des Vestiges de ces fluctuations pourraient apparaître dans les champs magnétiques galactiques et intergalactiques.

Alors, quand le temps de commencer?, La Science n’a pas encore de réponse concluante, mais au moins deux théories potentiellement testables soutiennent de manière plausible que l’univers-et donc le temps-existait bien avant le big bang. Si l’un ou l’autre scénario est juste, le cosmos a toujours existé et, même s’il se souvient un jour, ne finira jamais.

L’auteur

GABRIELE VENEZIANO, physicien théoricien au CERN, a été le père de la théorie des cordes à la fin des années 1960-une réalisation pour laquelle il a reçu le prix Heineman 2004 de L’American Physical Society et de L’American Institute of Physics., À l’époque, la théorie était considérée comme un échec; elle n’a pas atteint son objectif d’expliquer le noyau atomique, et Veneziano a rapidement déplacé son attention sur la chromodynamique quantique, à laquelle il a apporté des contributions majeures. Après que la théorie des cordes ait fait son retour en tant que théorie de la gravité dans les années 1980, Veneziano est devenu l’un des premiers physiciens à l’appliquer aux trous noirs et à la cosmologie.