Etienne Klein – Discours sur l’origine de l’univers – 2010

klein

La gravite n’est pas une force au sens classique du terme, mais une manifestation locale de la déformation que la matière imprime a l’espace temps de notre univers, qui lui-même dicte son mouvement a la matière.

La théorie de la relativité générale a ceci de révolutionnaire qu’elle fait de l’univers un authentique objet physique, précisément défini par sa structure spatio-temporelle et sa composition en matière, rayonnement et toute autre forme d’énergie.

Les galaxies s’éloignent les unes des autres à une vitesse d’autant plus élevée que leur distance est grande. L’univers est en expansion. Ce ne sont pas les galaxies qui se déplacent, mais l’espace lui-même qui s’étend, emportant avec lui les galaxies.

L’interaction électromagnétique : assure la cohésion des atomes et des molécules.

L’interaction nucléaire faible : de portée très courte, elle agit au cœur du noyau. Elle est responsable de la radioactivité beta, par laquelle un neutron se désintègre en un proton et un électron. Elle régit les réactions de fusion des noyaux d’hydrogène – sans elle, point de soleil…

L’interaction nucléaire forte : très forte, elle assure la cohésion des noyaux d’atome. Glu qui colle deux nucléons (protons ou neutrons).

La relativité générale ne tient pas compte des trois forces et est spécifique à la gravitation. Ses équations perdent toutes validités lorsque les particules présentes dans l’univers sont dotées d’énergies gigantesques. Impossible de décrire un univers très chaud et très denses.  L’instant zero des modèles de big-bang peut être interprété comme la marque d’un horizon infini. En utilisant une échelle de temps logarithmique par exemple il n’y a plus d’instant initial…et l’univers a exister de toute éternité….

Le big bang, ce n’est pas une explosion, ca n’a pas eu lieu à un point donné de l’espace, ni d’ailleurs à un temps donné… (Jean Marc Levy Leblond)

Le big bang ne correspond pas à la création proprement dite de l’univers mais simplement à un épisode particuliers qu’il a traversé. …le premier instant que prédisait les modèles n’a pas eu de réalité physique, au sens ou il ne correspond a aucun moment effectif du passé de l’univers. Aujourd’hui l’instant zéro est moins le symptôme d’une telle explosion de matière que celui de l’effondrement de la théorie de la relativité générale, dont les équations ne sont pas en mesure  a elles seules de décrire le passé le plus ancien de l’univers. « Zero est un nombre trop précis pour être quantique » Michel Cassé.

La physique quantique décrit les trois interactions fondamentales et ne s’accorde pas avec la relativité générale. Il manque une « théorie quantique de la gravitation ».

Energie de Planck : 10 19 GeV; longueur de Planck : 10-35 m ; temps de Planck : 10-43 s.

Le modèle standard n’a pas été contredit a ce jour. En revanche à très haute énergie, certains des principes des modèles standards entrent en collision avec les uns avec les autres. Cette théorie n’est plus capable de décrire la matière lorsque les énergies sont plus élevées que celles des protons du LHC.  Ensuite, il ne peut intégrer la gravité.

Aujourd’hui il y a des phénomènes quantiques et des phénomènes gravitationnels. Une telle séparation ne pouvait avoir lieu avant le mur de Planck. A cette époque – dont nul ne sait combien elle dura – ni même si cela a un sens de poser la question – les dimensions spatiales étaient si minuscules et les énergies si colossales que la matière et l’espace-temps s’enchevêtraient.. ; aucun calcul ne sait traduire cette situation avec exactitude.

Les super cordes : les particules élémentaires ne sont plus des points de taille nulle mais des cordes,  ou ouvertes ou fermée,  vibrantes, dans un espace de 9,10 ou 25 dimensions (repliées sur elles-mêmes), obéissant aux lois de la relativité restreinte (qui n’intègre pas la gravitation) et de la physique quantique.  Les différents modes de vibrations correspondent aux différentes particules. Les modes dont les fréquences sont plus élevées doivent correspondent à des particules lourdes, jamais observées. La gravite devient un prédiction du modèle et le graviton est une nouvelle particule due a un état particulier de vibration d’une corde fermée – cela devient un théorie quantique de la gravitation.

Malheureusement la théorie des cordes n’est pas utilisable au abord du big-bang ; trop de particules, trop d’interactions, impossible de calculer avec précision. Cette théorie prédit que la température de l’Univers ne peut pas dépasser une certaine valeur maximale. A cette limite sont associés des limites de densité et courbure de l’espace-temps. L’univers n’a pas pu être ponctuel – sa taille n’a jamais été nulle ni sa densité infinie) : la singularité originelle n’a pas eu lieu.

Qu’y avait il avant : une phase dense servant de pont quantique entre notre univers et un autre qui l’aurait précédé. ; un univers en forme de « brane » drapeau a 4 dimensions, de taille infinie. Les particules de matières sont condamne a vivre sur une brane dans 3 dimension, alors que le graviton peut accéder aux autres dimensions, l’espace-temps complet. Deux branes entre en collision, c’est la big bang, les branes se séparent, les galaxies s’éloignent, l’énergie du vide vient freiner l’éloignement puis les rapproche. Elles entrent en collision une fois encore provoquant un nouveau big-bang etc.

Ces théories – relativité et théorie quantique – s’appui sur l’idée d’un espace temps continue (souple en relativité, rigide en théorie quantique). Constatant l’impasse (a les réunir), les chercheurs en ont conclu que réunir le deux impliquait des principes nouveaux : dimensions supplémentaires, nouvelles particules, nouvelles symétries…ils sont arrivés a la conclusion que l’espace n’est pas continue mais granulaire :il ressemble a un morceau d’étoffe tissé de fibres distinctes (c’est la base la théorie quantique a boucles (avec l’idée que l’espace temps serait structure en boucle minuscule a très petites échelles).

Avant le mur de Planck, l’espace temps n’était pas continue (en deca du mur de Planck, la géométrie de l’univers n’est plus lisse : elle est constituée de « volume d’atome » équivalent a  10-105 mètre cube.

Dans cette théorie un quantum d’espace ne peut stocker qu’une quantité finie d’énergie (comme un éponge une quantité limitée d’eau). S’il en a trop, il devient répulsif (comme l’éponge refuse l’eau supplémentaire).  Dans ce cas, il n’est pas possible qu’il y ait quelque part une quantité d’énergie infinie : la singularité n’existe pas.  La limite est gigantesque (mille milliard de soleil dans une région de la taille d’un proton) mais finie. Ce qui l’oblige a « rebondir » sur lui-même lorsqu’il atteint ce point et provoque une expansion très rapide….

Le vide quantique contient des particules virtuelles – les champs quantiques qui sont toujours la, partout et qu’on ne peut supprimer – qui gagnent de l’énergie a l’occasion de l’expansion de l’espace (inflation) et se matérialise.  Pas besoin de source d’énergie extérieur au système (mais d’où vient l’expansion ?). L’espace s’étend, l’énergie du vide reste constante, celle de l’univers en expansion diminue graduellement jusqu’à devenir plus faible que l’énergie du vide. Une nouvelle perturbation du vide quantique relance alors une aventure cosmologique – sans passer nécessairement par un point zéro…

Inflation : en 10-32s l’univers x10 50

Le mariage de la théorie quantique avec la relativité (encore inachevé) semble aboutir à l’abolition de la création de l’univers.

Si les lois de la gravitations sont justes, les galaxies sont enveloppés d’une masse énorme de matière invisible, la matière noire. Sa présence est perçue par la gravitation, pas par la force électromagnétique (elle est transparente a la lumière).

La supersymétrie (qui postule que chaque particule de matière ordinaire aurait un partenaire supersymétrique, plus lourd qu’elle) postule une nouvelle particule : le neutralino qui serait le constituant de la matière noire. (le LHC devrait pouvoir apporter la preuve de son existence). Mais la matière noire existe telle ou doit on simplement changer les règles de la gravitation que nous connaissons?

Des qu’on envisage la question de l’origine des lois, on découvre qu’une régression infinie se profile a l’horizon.  Changer n’est pas cesser d’être soi mais être soi autrement. Un chose ne peut changer que si en elle quelque chose ne change pas…

Relativité restreinte : l’espace-temps comme concept et équivalence de la masse et de l’énergie (E=mC2).

Relativité générale : la gravitation n’est plus une force mais une deformation de l’espace temps, courbé par la matière qu’il contient.