Et si le temps n’avait pas de commencement ? L’Univers pourrait avoir toujours existé, selon une étude

C’est le titre d’une nouvelle étude menée par deux physiciens de l’Université de Liverpool et de l’Imperial College de Londres. Alors que les scientifiques tentent depuis des décennies de percer les mystères de la naissance de l’Univers, il se pourrait que ce dernier n’ait en réalité pas de commencement. Une certaine approche de la gravitation quantique, appelée théorie des ensembles causaux, suggère en effet que notre univers pourrait avoir toujours existé.

Selon cette théorie, l’espace-temps est fondamentalement discret (a contrario, dans toutes les théories actuelles de la physique, l’espace et le temps sont continus) et les événements de l’espace-temps sont liés par un ordre partiel ; cet ordre partiel possède la signification physique des relations causales des événements de l’espace-temps. Ainsi, à un certain niveau, il existerait une unité fondamentale d’espace-temps.

Bruno Valeixo Bento, du département des sciences mathématiques de l’Université de Liverpool et Stav Zalel, du Laboratoire Blackett de l’Imperial College, ont entrepris d’utiliser cette approche causale pour explorer le début de l’Univers. C’est ainsi qu’ils ont découvert qu’il est possible que notre univers n’ait jamais eu de commencement. Il aurait donc toujours existé dans le passé infini et n’aurait évolué que « récemment » vers ce que nous appelons le Big Bang.

Unifier la physique quantique et la relativité générale

Notre compréhension de l’Univers repose sur deux théories majeures : la physique quantique et la relativité générale. La première permet de décrire efficacement trois des quatre forces fondamentales de la nature (l’interaction électromagnétique, l’interaction faible et l’interaction nucléaire forte). La théorie de la relativité générale, quant à elle, est la description la plus puissante et la plus complète de la gravitation jamais établie ; elle modélise la gravité comme une courbure de l’espace-temps, dont le rayon est proportionnel à la densité d’énergie.

Néanmoins, la relativité générale présente certaines lacunes. Il se trouve que cette théorie ne produit pas de résultats cohérents pour au moins deux endroits particuliers, à savoir le centre des trous noirs et le début de l’Univers. Ces régions, appelées singularités, sont des points de l’espace-temps où les lois actuelles de la physique s’effondrent. Au sein de ces deux singularités, la gravité devient notamment incroyablement forte à de très petites échelles de longueur.

Pour contourner le problème, et ainsi tenter d’unifier la physique quantique et la relativité générale, les physiciens ont cherché à établir une théorie de la gravité quantique ; celle-ci devait permettre d’expliquer les phénomènes impliquant de grandes quantités de matière ou d’énergie sur de petites dimensions spatiales. De cet effort sont nées plusieurs approches, telles que la théorie de supergravité, la théorie des cordes ou encore la gravitation quantique à boucles.

Les théories actuelles de la physique supposent que l’espace et le temps sont continus. Dans un tel espace-temps, deux points peuvent être aussi proches que possible l’un de l’autre dans l’espace, tout comme deux événements peuvent se produire aussi près l’un de l’autre que possible. Mais la théorie des ensembles causaux décrit l’espace-temps comme une série d’éléments discrets, des unités ou « atomes » d’espace-temps. Cette théorie impose donc des limites strictes à la proximité des événements dans l’espace et le temps, car ils ne peuvent logiquement pas être plus proches que la taille d’un de ces « atomes ».

Une théorie qui élimine le problème de la singularité du Big Bang

Cette théorie, qui remet en question la notion d’espace-temps elle-même, a suscité un vif intérêt chez Bruno Bento. « J’ai été ravi de trouver cette théorie, qui non seulement tente d’être aussi fondamentale que possible, mais donne également un rôle central au temps et à ce que signifie physiquement le temps qui passe », a déclaré Bento à Live Science.

La théorie des ensembles causaux a en effet des implications importantes sur la nature du temps. Comme l’explique le physicien, elle repose sur le principe que le temps qui s’écoule est quelque chose de véritablement physique et qu’il ne s’agit pas d’une sorte d’illusion générée par notre esprit. Dans cette théorie, un ensemble causal croît d’une unité à la fois, devenant de plus en plus grand. Cette approche élimine ainsi complètement le problème de la singularité du Big Bang, car elle suggère qu’il est impossible que la matière se comprime jusqu’à des points infiniment petits ; ils ne peuvent être plus petits que la taille d’une unité d’espace-temps.

Sans cette singularité initiale, représentée par un point de densité infinie contenant toute l’énergie de l’Univers, à quoi ressemble alors le début de l’Univers ? Dans un article disponible en préimpression, Bento et Zalel ont tenté de déterminer si un début doit nécessairement exister ou non. Leur réflexion suggère que l’Univers n’a peut-être pas eu de commencement, qu’il a simplement toujours existé. « Dans la formulation et la dynamique originales de l’ensemble causal, classiquement parlant, un ensemble causal se développe à partir de rien pour aboutir à l’Univers que nous voyons aujourd’hui. Dans notre travail, au contraire, il n’y aurait pas de Big Bang comme début, car l’ensemble causal serait infini jusqu’au passé, et donc il y a toujours quelque chose avant », explique Bento. Ce que nous appelons le Big Bang ne serait ainsi qu’un moment particulier de cette évolution.

Reste encore, pour les chercheurs, à déterminer si cette approche causale sans commencement peut permettre d’élaborer des théories permettant de décrire l’évolution complexe de l’Univers pendant le Big Bang.

Source : arXiv, B. Bento et S. Zalel