Au commencement

Dans ses spectacles, le comédien, chanteur et poète gallois Max Boyce raconte des histoires qui ont trait à son pays natal bien-aimé. Il dépeint fréquemment l’équipe de rugby du pays de Galles en train de battre l’Angleterre au cours d’un match épique. À certains moments, il conclut par une affirmation sensée ajouter du sérieux à son propos : « Je l’sais parc’que j’y étais. » 

Dans des cadres plus formels, comme un tribunal, on accorde une très grande valeur au récit d’un témoin oculaire. De même, les journalistes essaient souvent d’interviewer quelqu’un qui a réellement vu ou entendu quelque chose. Les historiens eux aussi recherchent les vécus personnels, d’où l’importance de documents tels que le journal d’Anne Frank ou celui de Samuel Pepys. En revanche, lorsqu’on remonte au-delà de l’histoire écrite, et même avant l’apparition de l’humanité, on rencontre un problème : où est le récit direct vers lequel se tourner ? 

C’est le cas des scientifiques qui tentent d’expliquer comment l’Univers est né et comment les circonstances initiales se sont traduites par ce que nous pouvons observer et mesurer à présent. Dans son livre Une belle histoire du temps (A Briefer History of Time, 2005), le physicien théoricien britannique Stephen Hawking s’emploie à expliquer, entre autres, le stade premier de notre Univers. Avec son collègue Leonard Mlodinow, docteur en Physique théorique et enseignant au California Institute of Technology, il s’interroge : « Que savons-nous exactement de l’Univers et par quel moyen le savons-nous ? Comment est-il né ? D’où vient-il ? Où va-t-il ? Et si l’Univers a un commencement, que se passait-il avant sa naissance ? » 

Ce sont des questions auxquelles l’humanité cherche une réponse depuis longtemps. De plus, comme les auteurs le font remarquer, « aujourd’hui, nous avons encore très envie de savoir pourquoi nous sommes là et d'où nous venons. » 

Mais comment connaître les réponses à ces questions sans pouvoir se référer à des éléments justificatifs ? Voici ce que Hawking et Mlodinow proposent : « De nos jours, nous disposons de puissants outils : outils théoriques comme les mathématiques, intellectuels comme la méthode scientifique, mais également technologiques, avec les ordinateurs et télescopes. Grâce à eux, les chercheurs ont pu éclaircir un certain nombre de mystères concernant l’espace. » 

Sommes-nous donc sur le point de trouver des réponses à certaines de nos questions les plus pressantes ? 

EN REMONTANT DANS LE TEMPS 

Quand nous regardons les étoiles lointaines d’un ciel nocturne, ou quand l’astre qui nous est proche nous offre un magnifique coucher de soleil, nous remontons le temps. Autrement dit, nous voyons ces objets tels qu’ils étaient dans le passé. La lumière se déplace en effet à une vitesse finie ; étant donnée l’immensité de l’Univers, il faut du temps pour que la lumière émanant d’objets distants nous atteigne. Dans le cas du soleil, nous le voyons tel qu’il était à peu près huit minutes auparavant, tandis que la lumière qui nous parvient d’étoiles de la galaxie d’Andromède a été générée il y a environ 2,5 millions d’années. 

Les télescopes nous permettent de scruter l’Univers, donc de revenir dans le temps. Grâce au télescope spatial Hubble par exemple, nous disposons d’images de galaxies aux stades primaires de leur développement, il y a plus de 12 milliards d’années. D’autres télescopes balaient le ciel à des longueurs d’onde infrarouges ou de micro-ondes plus longues que celles de la lumière visible. Planck, le satellite lancé dernièrement, devrait fournir des détails plus précis sur le rayonnement CMB (Cosmic Microwave Background), ou rayonnement diffus cosmologique, dont on pense qu’il est porteur d’indices essentiels sur les origines de l’Univers. 

Bien qu’il soit possible de regarder dans le passé, il reste souvent difficile de tirer des conclusions fiables sur l’Univers primitif. Paul J. Steinhardt est titulaire de la chaire Albert Einstein de Sciences à l’université de Princeton et directeur du Princeton Centre for Theoretical Science. Il a travaillé avec Neil Turok, ancien titulaire de la chaire de Physique mathématique de l'université de Cambridge et désormais directeur de l’Institut Perimeter pour la Physique théorique de Waterloo, en Ontario. Dans leur ouvrage intitulé Endless Universe: Beyond the Big Bang (2007), ils décrivent la cosmologie comme « l’étude de l’origine et de l’évolution de l’Univers ». Les scientifiques ne pouvant effectuer des expériences directement sur l’Univers, ni voyager dans le passé, les co-auteurs suggèrent une très grande prudence : « Au mieux, ils peuvent collecter des informations indirectes sur l’histoire de l’Univers, au moyen d’observations minutieuses d’objets distants qui ont émis une lumière il y a bien longtemps, puis ils peuvent tenter d’assembler ces données en une explication logique. » 

Bon nombre de scientifiques ont travaillé sur des parties du mystère qu’est notre Univers. Ayant recours à tous les outils à leur disposition, bien que dépourvus de récits oculaires écrits, et restreints par les limites inhérentes à l’expérimentation, ils ont tenté de produire et de mettre à l’épreuve des théories capables de développer notre intelligence du domaine.  

On pourrait revenir sur des siècles de petits progrès, de revers et d’avancées radicales. Toutefois, le stade auquel ils sont parvenus aujourd’hui ne doit pas être considéré comme le fruit d’une progression linéaire. Plusieurs modèles de formation de l’Univers ont prévalu à telle ou telle période avant de passer de mode, puis de refaire surface plus tard. Souvent une preuve scientifique ou une conception semble prendre une direction, mais elle est mise en échec par une découverte ultérieure. À travers l’histoire, ce domaine de recherche a suscité des débats enflammés au sein de la communauté scientifique, et c’est évidemment encore le cas aujourd’hui. 

Selon Steinhardt et Turok, les nombreux modèles cosmologiques qui ont tenté d’expliquer les origines de l’Univers entrent, pour la plupart, dans l’une des trois catégories suivantes : l’Univers créé, l’Univers immuable, ou l’Univers épisodique. Examinons brièvement chacune pour voir si l’une d’elles peut expliquer ce qui semble inexplicable. 

BIG BANG OU PAS ? 

En reprenant le courant de l’histoire dans un passé relativement récent, on découvre qu’une version du modèle de l’Univers immuable dominait à la fin du XIX^e siècle. Elle émanait de l’essor de l’uniformitarisme dont la philosophie était d’expliquer l’histoire de l’Univers par une évolution continue et uniforme. La datation d’échantillons de roches mit en évidence que la Terre était bien plus ancienne qu’on ne le pensait auparavant et que, par conséquent, l’Univers était incroyablement, voire infiniment, vieux. Simon Singh, le documentariste britannique récompensé par la British Academy of Film and Television Arts, mais également détenteur d’un doctorat en Physique des particules de l’université de Cambridge, écrit dans son Roman du Big Bang (2005) qu’« un Univers éternel sembla trouver un écho auprès de la communauté scientifique […]. Si l’Univers existe depuis une éternité, alors il n’est pas nécessaire d’expliquer comment il a été créé, quand il a été créé, pourquoi il a été créé ou qui l’a créé » [citations de cet ouvrage traduites par nos soins]. Toutefois, Singh note également que la croyance en ce modèle était un acte de foi puisqu’aucune justification scientifique ne permettait de déduire l’éternité de l’Univers en partant de l’ancienneté de la Terre. 

Plus tard, même Albert Einstein se heurta à l’opinion générale de son époque. Lorsqu’il appliqua sa théorie de la relativité générale et sa formule de gravitation, le résultat indiqua un Univers instable qui devait s’effondrer. Einstein introduisit donc la « constante cosmologique », béquille mathématique à la théorie de la relativité générale – une solution qu’il regretta et abandonna plus tard. Singh l’exprime ainsi : « C’était un trucage utilisé par Einstein pour que le résultat réponde aux attentes, à savoir un Univers stable et éternel. » 

Le scientifique et mathématicien Alexandre Friedmann remettra en question la constante cosmologique d’Einstein et, bien entendu, sa vision d’un Univers immuable. Selon sa théorie, l’Univers était capable de surmonter l’attraction gravitationnelle qui paraissait le mener à son effondrement, car il avait été soumis à une expansion initiale, peut-être ininterrompue. 

Après le décès de Friedmann, le prêtre et cosmologiste belge Georges Lemaître appliqua la logique au concept d’un Univers en expansion, et ce, en remontant le temps. Singh rapporte ainsi son raisonnement : si l’Univers est en expansion aujourd’hui, il devait être plus petit hier et avant-hier. En continuant, on aboutit à ce que Lemaître appelait « l’atome primitif », un atome extrêmement dense qui se dilata brusquement, générant toute la matière de l’Univers. Même si Lemaître pensait que cet atome primitif pouvait avoir toujours existé avant de se rompre, il voyait son explosion comme le début effectif de l’Univers. En conséquence, le modèle d’un Univers éternel se trouvait confronté à un autre qui, là encore, semblait indiquer un point temporel où l’Univers serait né, c’est-à-dire un moment de création. 

À la même époque, l’astronome Vesto Slipher, qui travaillait à l’Observatoire Lowell en Arizona, avait fait quelques découvertes, de son côté. L’association de spectroscopes et de télescopes géants, combinés à des plaques photographiques sensibles, permettait d’examiner les étoiles selon des modalités différentes. Depuis un certain temps, on savait que les ondes lumineuses en provenance d’une source qui s’éloigne subissent un étirement et se décalent vers l’extrémité rouge du spectre. En analysant la lumière émise par plusieurs galaxies, Slipher découvrit que la plupart semblaient présenter ce décalage vers le rouge, ce qui impliquait un éloignement par rapport à la Terre et, si ses calculs étaient exacts, à une vitesse très élevée. 

Plus tard, Edwin Hubble et ses collègues confirmeront et expliqueront cet effet grâce au télescope de 2,5 m du Mont Wilson (Californie). En effet, ils mirent en évidence une relation entre la vitesse d’une galaxie et sa distance de la terre, puis élaborèrent l’équation correspondante connue sous le nom de « loi de Hubble ». Les observations indiquèrent que, loin d’être un lieu statique et immuable, l’Univers était fortement occupé par des galaxies qui, apparemment, s’éloignaient à grande vitesse de nous selon un modèle d’expansion systématique. Hubble fournit donc la première preuve importante à l’appui du modèle de création cosmologique de Friedmann et de Lemaître. Singh note que l’incidence de cette preuve « a tout simplement été la prise de conscience qu’à un moment donné de l’histoire, toutes les galaxies de l’Univers avaient été compactées dans une même petite zone. Cette conclusion basée sur l’observation a aussi été la première allusion à ce que nous désignons par le "Big Bang". Il s’agissait du premier indice d’un éventuel moment de création ». 

Tout le monde n’était pas convaincu par la notion d’un début explosif de l’Univers, ni par l’idée d’un point de création. L’astronome britannique Fred Hoyle en était l’un des plus véhéments opposants. Avec ses collègues Thomas Gold et Hermann Bondi, il travailla à un modèle qui devait concilier la notion d’un Univers à l’existence éternelle et les observations de Hubble démontrant un Univers en expansion. Finalement, ce fut Gold qui suggéra le concept d’un Univers subissant un développement permanent sans, globalement, changer pour autant. Selon ce modèle, qui allait s’appeler le modèle de l’état stationnaire, on pensait que de la matière nouvelle se créait pour combler les vides laissés par l’expansion. Singh déclare : « Un Univers de ce type devrait, semble-t-il, se développer et se dilater, tout en étant quasiment immuable, constant et éternel. » Les trois collègues publièrent ensuite des articles et œuvrèrent à défendre leur modèle de l’Univers face à la théorie rivale de l’explosion initiale, également connue sous l’appellation de « modèle de l’évolution dynamique ». C’est Hoyle qui, en fait, est l’inventeur de l’expression « Big Bang », utilisée dans une allusion moqueuse pendant une conférence radiodiffusée de la BBC. L’appellation fit mouche.  

Un débat acharné entre les deux théories opposées se poursuivit sur une certaine période, s’enlisant quelque temps par manque de preuve scientifique absolue capable d’étayer l’une ou d’ébranler l’autre. Au fil des années, les scientifiques recourant à des méthodes et des équipements nouveaux, les observations fournirent des données qui aidèrent à clarifier chaque position. 

AU-DELÀ DU BIG BANG 

Peu à peu, le modèle du Big Bang finit par rallier le consensus dans la dernière partie du XX^e siècle. En gros, la conception actuelle voit cet événement, non pas tant comme une explosion dans le temps et dans l’espace, mais comme une explosion du temps et de l’espace. Beaucoup pensent que c’est le commencement des deux. À partir d’un point infiniment condensé, le temps et l’espace se dilatèrent, passant en même temps d’une chaleur incroyable à un froid équivalent. D’une mer de protons, de neutrons et d’électrons, des atomes et des noyaux, essentiellement d’hydrogène et d’hélium, se formèrent progressivement, puis se condensèrent pour former étoiles et galaxies. Des réactions nucléaires au sein des étoiles et, par la suite, les conditions liées à la mort de celles-ci générèrent des éléments plus lourds, tels que le carbone, l’azote et l’oxygène, indispensables à la vie sur Terre. On estime que tout cela a débuté en un point unique il y a 13,7 milliards d’années environ. Bien sûr, une question se pose naturellement : Qu’y avait-il avant le Big Bang ?  

Plusieurs modifications et rectifications furent apportées au modèle du Big Bang afin d’intégrer des concepts comme l’inflation, la matière sombre et l’énergie noire. Ces derniers  ont tous été déclinés diversement, mais l’inflation est essentiellement l’expansion rapide de l’Univers dans les premiers instants qui suivirent le Big Bang. Elle vise à expliquer l’existence de variations de densité au commencement de l’Univers, notamment les zones particulièrement denses à l’origine des galaxies, tout en clarifiant pourquoi l’Univers est d’apparence plate et non courbe. Objet de nombreux travaux théoriques quoique non détectée à ce jour, la matière sombre a été avancée pour justifier que les étoiles situées aux extrémités des galaxies restent dans leur orbite, bien que l’attraction gravitationnelle cumulée des étoiles plus centrales soit insuffisante pour les y maintenir. À cause de sa gravitation répulsive, l’énergie noire – tout aussi insaisissable – a été suggérée comme force en cause dans l’expansion continue de l’Univers, semble-t-il à une vitesse croissante. À ce propos, Singh fait le commentaire suivant : « Avec une durée d’inflation momentanément violente, une matière sombre bizarre et une énergie noire mystérieuse, le nouvel Univers du Big Bang du XXI^e siècle est effectivement un lieu étrange. » 

Certains voient la concrétisation actuelle du modèle du Big Bang comme une sorte d’expédient fait de concepts amalgamés. Steinhardt et Turok, en évaluant les mérites du modèle inflationnaire du Big Bang, critiquent ce qu’ils appellent ses bizarres attributs fondamentaux. Par exemple, « pour des raisons mystérieuses et inexpliquées, l’Univers émerge du néant dans un état extrêmement dense ».  

Ils ont proposé un modèle qu’on peut qualifier d’épisodique ou de cyclique : l’Univers ekpyrotique, du grec ekpyrosis (littéralement, embrasement, en référence à la conflagration dans laquelle, selon eux, un Univers prend fin et un autre naît). Au fond, leur modèle stipule que le Big Bang n’est pas le commencement du temps et de l’espace, mais plutôt une partie d’un cycle répétitif, au cours duquel un big bang crée de la matière chaude et un rayonnement qui se dilatent puis refroidissent pour former des galaxies. Après une expansion de plus en plus rapide, pendant laquelle matière et rayonnement se dispersent, la désintégration de l’énergie noire provoque un ralentissement et, finalement, un arrêt de l’expansion. Il s’ensuit une contraction progressive de l’Univers qui, à son tour, entraîne un « big crunch » (compression). Une partie de l’énergie noire est ensuite brusquement convertie en matière et rayonnement, puis l’Univers recommence à se dilater. Les auteurs le formulent ainsi : « Le crunch s’est transformé en bang. » 

On trouve les bases de l’explication de cette conception dans une version dominante de la théorie des cordes, appelée théorie M, caractérisée par sa complexité et sa sophistication mathématique. Elle conduit à la notion que notre Univers tridimensionnel est séparé d’un autre, que nous ne voyons pas, par un intervalle minuscule, peut-être de l’ordre de 10^-30 centimètres, dans une quatrième dimension spatiale. D’après cette théorie, la collision de ces « mondes » (ou membranes, ou mondes branaires) provoque des big bangs répétés sur des billions d’années. 

Le modèle ekpyrotique détient-il la réponse au mystère qu’est notre Univers ? Selon Steinhardt et Turok, « de nombreux spécialistes de la théorie des cordes restent sceptiques sur la capacité de la compression à se transformer en explosion, ce qui rend le concept cyclique globalement gênant. Il est impossible de résoudre le problème autrement que par des calculs précis. […] Actuellement dans le monde, les théoriciens sont nombreux à se consacrer à la question de très près. » 

LA VÉRITABLE DIMENSION 

Les scientifiques ont examiné ces différents modèles en les confrontant aux lois connues de la physique, aux propriétés observables et mesurables de l’Univers et à une vérification mathématique minutieuse. Notre réaction aux théories actuelles sur les débuts de l’Univers pourrait refléter notre perception quant au niveau d’accomplissement atteint par l’humanité. Steinhardt et Turok font partie de ceux qui ont l’impression que nous sommes au seuil d’une énorme avancée : « Les dix ou vingt prochaines années vont sans doute avoir un impact historique en établissant l’axe théorique et le modèle qui expliquent le mieux l’Univers dans lequel nous vivons. […] Nous pensons avec optimisme que, grâce aux démarches collectives des travaux d’expérimentation, d’observation et de théorisation, des progrès décisifs vont être faits, apportant une conclusion au débat. » 

Serait-ce que nous parvenons véritablement au summum de la connaissance humaine, que les outils dont nous disposons désormais sont sur le point de dévoiler les secrets ultimes du cosmos ? Actuellement, la recherche s’intéresse à une théorie de grande unification, désignée par certains scientifiques comme « la théorie du tout ». Cette proposition espère concilier, voire remplacer, la théorie de la relativité générale et la mécanique quantique afin d’apporter une explication globale de l’Univers. 

Hawking et Mlodinow rejoignent des remarques d’Einstein en écrivant que cette explication pourrait déboucher à une possibilité encore plus ahurissante : « Néanmoins, si nous parvenons vraiment à découvrir une théorie unificatrice, [nous serons] capables de prendre part à la discussion sur le pourquoi de notre existence et de notre Univers. Et si nous trouvions un jour la réponse, ce serait le triomphe de la raison humaine – qui nous permettrait alors de connaître la pensée de Dieu. » C’est évidemment le perpétuel espoir de la science, même si la plupart des scientifiques l’auraient sans doute exprimé différemment. 

Cette méthode de découverte, dite scientifique, implique l’élaboration de théories qui sont ensuite évaluées avec attention et testées. Avec le temps, soit ces théories sont développées, grâce aux éclaircissements que procurent les techniques d’investigation innovantes, soit elles sont rejetées et remplacées par un autre cadre conceptuel.  

Bien que souvent écartée, une source alternative de compréhension de « la pensée de Dieu », susceptible de compléter ou de contredire l’approche scientifique, est la Bible. Bien qu’elle ne soit pas censée donner une explication scientifique de la cosmologie, elle offre des réponses aux grandes questions qui occupent bien des esprits. Elle a également beaucoup à dire sur les origines. 

Le livre auquel on pense d’abord est évidemment la Genèse, qui parle du commencement en termes concis, mais non scientifiques. Des éléments de compréhension moins connus sont apportés par l’histoire de Job. Tel qu’il nous apparaît, ce dernier était manifestement un homme intelligent et accompli. Il présentait cependant un défaut dominant : il n’arrivait pas à voir Dieu dans une dimension adéquate. Afin de lui faire percevoir cette dimension de manière compréhensible, Dieu posa à Job des questions précises : « Où étais-tu quand je fondais la terre ? Dis-le, si tu as de l’intelligence. Qui en a fixé les dimensions, le sais-tu ? Ou qui a étendu sur elle le cordeau ? Sur quoi ses bases sont-elles appuyées ? Ou qui en a posé la pierre angulaire ? […] Depuis que tu existes, as-tu commandé au matin ? As-tu montré sa place à l’aurore ? » (Job 38 : 4–6, 12). 

Conclusion : Job a compris et s’est mis à honorer Dieu comme il se doit, en tant que Créateur et Soutien suprême et sage de tout ce qui nous entoure.  

Qu’en est-il de nous ? Les éclairages fascinants et complexes que la science nous a apportés comme explications possibles sur l’origine de notre univers sont tantôt incroyables, tantôt déroutants. Comme la technologie progresse à grands pas et que les outils scientifiques et mathématiques à notre disposition révèlent toujours davantage de précisions, nous aurons à coup sûr d’autres scénarios à méditer dans les années à venir. Pour autant, la science réussira-t-elle jamais à répondre à nos questions les plus fondamentales ? 

MARTIN COATES

Traduit par Isabelle Mennesson 

Références sélectionnées :

1 Anil Ananthaswamy, “Planck: The Future of Probing the Past,” dans New Scientist (9 mai 2009).  2 Paul Davies, The Goldilocks Enigma: Why Is the Universe Just Right for Life? (2006).  3 Stephen Hawking et Leonard Mlodinow, Une belle histoire du temps(Flammarion, 2005).  4 Michio Kaku, Parallel Worlds: A Journey Through Creation, Higher Dimensions, and the Future of the Universe (2005).  5 Simon Singh, Le Roman du Big Bang (J. C. Lattès, 2004).  6 Paul J. Steinhardt et Neil Turok, Endless Universe: Beyond the Big Bang (2007).  7 Edward P. Tryon, « Is the Universe a Vacuum Fluctuation? » dans Nature (14 décembre 1973).

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