Au commencement il y avait… eh bien, peut-être qu'il n'y avait pas de commencement. Peut-être que notre univers a toujours existé – et la nouvelle théorie de la gravité quantique montre comment cela pourrait fonctionner.
"Il y a tellement de choses dans la réalité que la plupart des gens associent à la science-fiction ou même à la fantaisie", a déclaré Bruno Bento, un physicien qui étudie la nature du temps à l'Université de Liverpool au Royaume-Uni, à Live Science.
Dans son travail, il a utilisé une nouvelle théorie de la gravité quantique appelée la théorie des ensembles causaux, dans laquelle l'espace et le temps sont divisés en parties discrètes de l'espace-temps. Selon cette théorie, à un certain niveau, il existe une unité fondamentale d'espace-temps.
Bento et ses collaborateurs ont utilisé cette approche causale pour explorer le début de l'univers. Ils ont découvert qu'il est tout à fait possible que l'univers n'ait pas eu de commencement - il a toujours existé dans un passé infini et n'est devenu que récemment ce que nous appelons le Big Bang.
Quantum de gravité.
La gravité quantique est peut-être le problème le plus épineux de la physique moderne. Nous avons deux théories extrêmement efficaces de l'univers : la physique quantique et la relativité générale. La physique quantique a décrit avec succès trois des quatre forces fondamentales de la nature (électromagnétisme, interaction faible et interaction forte) jusqu'à des échelles microscopiques. D'autre part, la relativité générale est la description la plus puissante et la plus complète de la gravité jamais inventée.
Mais malgré toutes ses forces, la relativité générale est incomplète. Dans au moins deux endroits précis de l'Univers, les mathématiques de la relativité générale ne fonctionnent tout simplement pas, sans donner de résultats fiables : au centre des trous noirs et au début de l'Univers. Ces zones sont appelées "singularités", ce qui signifie des points dans l'espace-temps où nos lois actuelles de la physique s'effondrent, et ce sont des signes mathématiques d'avertissement que la relativité générale trébuche sur elle-même. Au sein de ces deux singularités, la gravité devient incroyablement forte à de très petites échelles de longueur.
Ainsi, pour percer les mystères des singularités, les physiciens ont besoin d'une description microscopique de la gravité forte, également appelée théorie quantique de la gravité. Il existe de nombreux candidats, notamment la théorie des cordes et la gravité quantique en boucle.
Et il y a une autre approche qui change complètement notre compréhension de l'espace et du temps.
Théorie des ensembles causaux
Dans toutes les théories modernes de la physique, l'espace et le temps sont continus. Ils forment le tissu lisse sous-jacent à toute réalité. Dans un tel espace-temps continu, deux points peuvent être aussi proches l'un de l'autre que possible dans l'espace, et deux événements peuvent se produire aussi près l'un de l'autre que possible dans le temps.
Mais une autre approche, appelée théorie causale des ensembles, réinvente l'espace-temps comme une série de fragments discrets ou « d'atomes » d'espace-temps. Cette théorie imposerait des limites strictes à la proximité des événements dans l'espace et dans le temps, car ils ne peuvent pas être plus proches que la taille d'un « atome ».
Par exemple, si vous regardez votre écran et lisez ceci, tout semble fluide et continu. Mais si vous regardez le même écran à travers une loupe, vous pouvez voir des pixels diviser l'espace, et vous constatez qu'il est impossible de rapprocher deux images sur l'écran à moins d'un pixel.
Cette théorie de la physique a excité Bento. "J'étais ravi de découvrir cette théorie qui non seulement essaie de devenir aussi fondamentale que possible - en approchant la gravité quantique et en redéfinissant la notion même d'espace-temps - mais aussi de centraliser le temps et ce qu'il signifie physiquement. ce temps passera, à quel point votre passé est physiquement réel et si le futur existe déjà », a déclaré Bento à Live Science.
Le début du temps
La théorie causale des ensembles est essentielle à la nature du temps.
« Une grande partie de la philosophie des ensembles causaux est que le passage du temps est quelque chose de physique et ne peut être attribué à une illusion émergente ou à quelque chose qui se passe dans notre cerveau qui nous fait penser que le temps passe ; cette procédure pas à pas est elle-même une manifestation de la théorie physique », a déclaré Bento. "Ainsi, dans la théorie des ensembles causaux, l'ensemble causal grandira un atome à la fois et deviendra de plus en plus gros."
L'approche de l'ensemble causal élimine parfaitement le problème de singularité du Big Bang, car les singularités ne peuvent pas exister en théorie. La matière ne peut pas être compressée en points infiniment petits - ils ne peuvent être inférieurs à la taille d'un atome dans l'espace-temps.
Alors, à quoi ressemble le début de notre univers sans la singularité du Big Bang ? C'est là que Bento et son collaborateur Stav Zalel, étudiant diplômé de l'Imperial College de Londres, ont repris le fil en explorant ce que dit la théorie des ensembles causaux sur les débuts de l'univers. Leur travail a été publié le 24 septembre dans la base de données de prépublication arXiv. (L'article n'a pas encore été publié dans une revue scientifique à comité de lecture.)
L'article a exploré "si cela aurait dû commencer à exister dans une approche causale", a déclaré Bento. "Dans la formulation et la dynamique originales de l'ensemble causal, classiquement parlant, l'ensemble causal se développe à partir de rien dans l'univers que nous voyons aujourd'hui. Au lieu de cela, il n'y aurait pas de Big Bang comme début dans notre travail, puisque l'ensemble causal serait infini jusqu'au passé, et donc il y a toujours quelque chose avant. "
Leur travail implique que l'univers n'a peut-être pas eu de commencement – qu'il a simplement toujours existé. Ce que nous percevons comme le Big Bang ne pourrait être qu'un moment particulier dans l'évolution de cet agrégat causal toujours existant, et non le véritable commencement.
Cependant, il reste encore beaucoup de travail à faire. Il n'est pas encore clair si cette approche causale gratuite peut permettre des théories physiques avec lesquelles nous pouvons travailler pour décrire l'évolution complexe de l'univers pendant le Big Bang.
"On peut encore se demander si cette [approche causale] peut être interprétée de manière" intelligente ", ou ce que signifie physiquement une telle dynamique dans un sens plus large, mais nous avons montré que la structure est en effet possible", a déclaré Bento. "Donc, au moins mathématiquement, cela peut être fait."
