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P. 76 : Domaine public / Wikimedia. P. 83 : Domaine public / Wikimedia.

P. 138 : © ESA and the Planck Collaboration.

P. 164 : © EHT Collaboration.

© Giangiacomo Feltrinelli Editore, Milano.

First published as Genesi by Guido Tonelli in May 2019 by Giangiacomo Feltrinelli Editore, Milano.

La première édition de cet ouvrage a été publiée en mai 2019 aux éditions Giangiacomo Feltrinelli, Milan, sous le titre Genesi.

Cet ouvrage a été traduit avec l’aide du Centro per il libro e la lettura du ministère de la Culture italien.

Direction artistique : Nicolas Wiel

© Dunod, 2022
11 rue Paul Bert, 92240 Malakoff

www.dunod.com

ISBN : 978-2-10-084416-6

Préface

Il pourrait sembler un peu présomptueux de vouloir réécrire la Genèse en racontant à nouveau les sept jours fatidiques de la création du monde, cette fois de manière plus crédible. Guido Tonelli le fait dans ce livre avec une grâce désinvolte et sereine, grâce à trois excellents ingrédients.

Le premier est l’extraordinaire quantité de données et d’idées que la science moderne a réussi à collecter sur la vie de notre univers, ou, comme il le dit avec une belle expression, « notre maison ». Guido Tonelli, l’un des grands expérimentateurs de la physique fondamentale contemporaine, les décrit avec simplicité et abondance de détails, et les tisse continuellement avec la vaste connaissance de sa culture, qui s’étend dans de nombreux domaines.

Le deuxième ingrédient est la conscience explicite du rôle joué, chez l’être humain individuellement, mais aussi, peut-être, dans la naissance même des civilisations, par le grand récit de notre passé. La réponse aux questions « comment tout cela est-il arrivé ? » et « d’où venons-nous ? » nous offre un cadre de pensée, des repères qui nous permettent de vivre, une toile de fond pour les constructions symboliques qui nous inspirent au quotidien.

Le troisième, et peut-être le plus important de tous pour apprécier la grande fresque que dessine Tonelli, est la conscience − propre à la science fondamentale dont Tonelli est un grand représentant − du caractère provisoire de notre connaissance, conscience explicite dans le livre, et c’est ce qui lui donne sa force et le rend imperméable à toute suffisance.

L’une des clés du livre est son épilogue court et magnifique, dans lequel la Genèse de Tonelli est directement comparée à l’« original ». Quelque chose est révélé, dans les mots d’un théologien jésuite, du sens de cet original : le récit vaut pour le présent, pour l’avenir, pour chacun d’entre nous.

Pour ceux qui cherchent une vue d’ensemble de l’histoire de l’univers, le récit des origines du monde raconté par un protagoniste de premier plan de la physique fondamentale contemporaine, Genèse offre une version détaillée et articulée. Elle ne prétend pas être définitive, et Tonelli en a pleinement conscience. Ce n’est pas le point d’arrivée, c’est une histoire en cours d’écriture, faite de beaucoup de choses déjà bien comprises, de choses que nous ne savons toujours pas, de choses qui restent confuses, sur un chemin qui est celui de la découverte, comme un voyage vers des territoires inexplorés dont on ne sait toujours pas grand-chose et sans que l’on ne soit jamais sûrs de l’endroit où l’on se trouve.

L’ouvrage explore donc des territoires extrêmement incertains (le fait, par exemple, que l’univers soit réellement né d’une fluctuation d’un « vide » quantique relève aujourd’hui encore, en l’absence de consensus sur une théorie quantique de la gravité, du domaine de la spéculation) et des idées très étudiées, mais loin de faire l’unanimité (comme l’inflation cosmique, la phase d’expansion initiale très rapide de l’univers), jusqu’à certaines étapes de l’histoire du cosmos que nous connaissons très bien.

Des trous noirs à la matière noire et à la particule de Higgs, à la découverte de laquelle Tonelli a contribué de manière fondamentale, ces pages accompagnent le lecteur passionné et curieux dans un voyage fascinant, toujours en cours.

Carlo Rovelli

Physicien théoricien

Université d’Aix-Marseille

Pour le petit Jacopo

« Nous avons besoin de poésie, désespérément. »

Auteur anonyme, mur d’une ruelle du centre de Palerme, octobre 2018

« Tous les chagrins sont supportables si on en fait une histoire. »

Karen Blixen

« L’enracinement est peut-être le besoin le plus important et le plus méconnu de l’âme humaine. »

Simone Weil

Prologue

« Professeur, comment allez-vous ? Je peux vous poser une question ? Si j’ai bien compris, il est encore vide, n’est-ce pas ? Je veux dire, l’univers qui nous entoure, y compris Donald Trump et les actionnaires de Fiat Chrysler Automobiles qui sont en train de me rendre fou ? Magnifique. Génial. J’ai toujours su que j’aurais dû étudier la physique et laisser tomber toutes les conneries dont je m’occupe depuis quarante ans. »

C’est Sergio Marchionne qui m’appelle des États-Unis, à la fin de sa folle routine hebdomadaire : deux jours à Maranello, un hélicoptère pour Turin, puis un avion pour Detroit où il finit la semaine, et rebelote. Peu de variantes, aucune pause ni vacances.

Tout a commencé fin juillet 2016 : j’étais invité à visiter l’usine Ferrari pour une interview, l’occasion d’admirer in situ ces petits bijoux de technologie et de rencontrer les jeunes techniciens et ingénieurs qui mettent dans leurs nouveaux modèles le soin maniaque des vieux artisans. La matinée file à toute allure et nous voici déjà attablés dans le restaurant où déjeunait Enzo Ferrari, au milieu des photos du « patriarche » et des trophées témoignant d’innombrables victoires. Nous sommes en train de parler de Formule 1 et de Ferrari électriques lorsqu’un coup de fil tout à fait inattendu nous interrompt : Sergio Marchionne demande si je peux passer le saluer dans son bureau.

Je gagne les étages supérieurs, m’attendant à une brève rencontre de politesse, mais alors que je suis encore debout, une question surprenante me cueille à froid : « Professeur, est-ce que vous croyez en Dieu ? »

Avec une pareille entrée en matière, il est évident que notre rencontre ne se limitera pas à une rapide entrevue formelle. Nous passons l’heure suivante à parler de la naissance de l’univers, de ce qu’est le vide, à nous interroger sur l’apparition et la fin de l’espace-temps. Marchionne fume une cigarette après l’autre et demande des explications sur tout. Je lis dans ses yeux une curiosité sincère et émerveillée. « Ce sont les choses que j’aurais aimé étudier quand j’étais jeune. Mais je n’étais pas de taille à affronter les matières scientifiques, alors je me suis rabattu sur la philo. Puis la vie m’a porté vers une tout autre direction. » Et d’évoquer son adolescence canadienne, tout sauf facile, et la suite d’événements, parfois totalement improbables, qui l’a amené à diriger l’une des entreprises les plus importantes au monde.

Quand la secrétaire nous informe que le chauffeur qui doit me raccompagner à l’aéroport estime que j’ai maintenant de bonnes chances de rater mon avion, nous devons nous quitter. Marchionne insiste toutefois pour que je lui dédicace La nascita imperfetta delle cose et je le menace en plaisantant de l’interroger la prochaine fois que nous nous verrons pour vérifier s’il l’a bien lu. Lorsque je reçois son premier appel quelques semaines plus tard, je comprends qu’il m’a pris au mot.

C’est ainsi que naît entre nous une relation qui me ramène à Modène peu de temps après, à l’occasion de la rencontre annuelle que Ferrari organise avec les managers de ses principaux partenaires. Pendant le dîner, nous continuons notre petit jeu de l’interrogation, cette fois-ci avec la participation des autres convives. Nous passons la soirée à discuter des trous noirs, de Stephen Hawking et des ondes gravitationnelles. Puis, peu avant le dessert, Marchionne réclame le silence et m’invite à raconter la naissance de l’univers et la découverte du boson de Higgs : « Soyez sans pitié, professeur, je veux que ces têtes dures comprennent quelles sont les choses vraiment importantes dans ce monde. »

À la fin de la soirée, il me prend par le bras et me glisse à l’oreille : « Dans quelques années, je lâche tout et je me mets à étudier la physique. Promettez-moi de me préparer une liste raisonnable d’ouvrages, grand public mais pas trop, sur la mécanique quantique et les particules élémentaires pour que j’y comprenne quelque chose. »

Je dis souvent que les grandes questions que pose la physique habitent chacun de nous et que cette curiosité primordiale brûle dans toutes les âmes. Je promets donc d’envoyer la bibliographie, sans réussir toutefois à dissimuler un certain scepticisme dans mon regard. « Faites-moi confiance, professeur, je vais le faire. » Ni l’un ni l’autre ne pouvions imaginer à cet instant avec quelle rapidité ces plans allaient être bouleversés et le peu de temps qui lui restait à vivre.

Introduction

LE GRAND RÉCIT DES ORIGINES

Lorsque la deuxième vague d’Homo sapiens arrive d’Afrique, il y a environ 40 000 ans, les Néandertaliens peuplent déjà plusieurs zones d’Europe. Organisés en petits clans, ils vivent dans des grottes qui nous restituent aujourd’hui les preuves sans équivoque d’un univers symbolique complexe : fresques pariétales où figurent symboles et dessins d’animaux, cadavres ensevelis en position fœtale, ossements et grandes stalactites disposés en cercles rituels… Nombreuses sont les traces laissées par une civilisation qui possédait, selon toute probabilité, un langage sophistiqué que nous ne connaîtrons jamais.

On peut donc supposer qu’un récit des origines du monde résonnait déjà dans ces cavernes, les anciens transmettant aux plus jeunes – puissance de la parole et magie de la mémoire – l’écho d’une histoire reculée. Il faudra attendre des milliers de générations avant que Hésiode (ou quelqu’un d’autre en son nom), avec sa Théogonie, nous laisse un témoignage écrit de ce récit, tissant le premier un lien entre poésie et cosmologie.

Ce récit des origines a traversé les millénaires et s’écrit aujourd’hui avec les mots de la science. Les équations n’ont pas la puissance évocatrice du langage poétique, mais les concepts de la cosmologie moderne – l’univers qui naît d’une fluctuation du vide ou l’inflation cosmique – nous laissent encore sans voix.

Tout part d’une question simple, inéluctable : « D’où tout cela vient-il ? » Une question qui émerge sous toutes les latitudes, chez des individus appartenant aux cultures les plus diverses, un trait d’union entre des civilisations apparemment très éloignées. Une question que se posent les enfants et les chefs d’entreprises, les scientifiques et les chamans, les astronautes et les derniers représentants de ces petites populations de chasseurs-cueilleurs qui survivent, isolées, dans certaines régions de Bornéo ou de l’Amazonie.

Une question tellement primordiale qu’on a pu même imaginer qu’elle nous ait été transmise par les espèces qui ont précédé Homo sapiens.

Les mythes fondateurs et la science

Pour les Kuba du Congo, le grand Mbombo, seigneur d’un monde obscur, crée l’univers en vomissant le Soleil, la Lune et les étoiles afin de se libérer d’un terrible mal d’estomac. Pour les Fulani du Sahel, c’est le héros Doondari qui transforme en terre, eau, fer et feu une gigantesque goutte de lait. Pour les Pygmées des forêts de l’Afrique équatoriale, une énorme tortue qui pond ses œufs tout en nageant dans un océan primordial est à l’origine de tout.

Dans tous ces récits mythologiques, on retrouve presque toujours un état originel indéfini, déroutant : le chaos, les ténèbres, une étendue informe et liquide, un brouillard, une terre désolée... jusqu’à ce qu’un être surnaturel intervienne pour donner une forme, apporter un ordre. C’est le rôle dévolu au grand serpent, à l’œuf primordial, au héros ou au créateur qui sépare le Ciel et la Terre, le Soleil et la Lune et donne vie aux animaux et aux humains.

L’instauration de l’ordre est un passage nécessaire, parce qu’il établit des règles et jette les fondations des rythmes qui scandent l’alternance des saisons. Le désordre primordial renvoie à une peur ancestrale, celle d’être la proie des forces déchaînées de la nature, qu’il s’agisse de bêtes féroces ou de séismes, sécheresses ou inondations. Mais lorsque la nature est façonnée pour suivre les règles dictées par celui qui apporte l’ordre dans le monde, voilà que la fragile communauté humaine peut survivre et se reproduire. L’ordre naturel se reflète dans l’ordre social, dans l’ensemble des règles et des tabous qui définissent ce qu’il est possible de faire et ce qui est absolument prohibé. Si le groupe, la tribu, le peuple entier se comportent selon les lois établies par ce pacte primordial, alors ce maillage de normes protégera la communauté de la désagrégation.

Du mythe naissent ensuite d’autres constructions, qui sont à l’origine des religions, de la philosophie, des arts et des sciences, toutes disciplines qui s’hybrident et se fertilisent réciproquement, permettant à des civilisations millénaires de fleurir. Cet entrelacs se rompt à partir du moment où les disciplines scientifiques connaissent un développement impétueux, totalement disproportionné par rapport aux autres activités spéculatives. Le rythme somnolent de sociétés demeurées stables pendant des siècles est brusquement altéré par une suite de découvertes qui modifient profondément la façon de vivre de peuples entiers. D’un coup, tout change et continue à changer, à une vitesse effrayante.

Avec le développement de la science apparaît la modernité, les sociétés deviennent dynamiques et sujettes à de constantes transformations, l’effervescence gagne les groupes sociaux, les classes dominantes subissent de profonds changements, des équilibres de pouvoir séculaires sont renversés en l’espace de quelques décennies, si ce n’est de quelques années.

Mais les transformations les plus fondamentales n’ont pas trait à la manière dont nous communiquons ou produisons de la richesse, dont nous nous soignons ou voyageons. Les mutations les plus radicales regardent une fois encore notre façon de considérer le monde et de nous y situer.

Le récit des origines qui dérive de la science moderne acquiert rapidement une cohérence et une exhaustivité avec lesquelles il est difficile de rivaliser. Aucune autre discipline ne peut fournir des explications aussi convaincantes, vérifiables et compatibles avec les myriades d’observations produites par les scientifiques.

Même si le scénario au sein duquel évolue l’humanité perd progressivement les caractères magiques et mystérieux qui l’ont accompagné pendant des millénaires, la vision du monde qui se précise petit à petit est la chose la plus incroyable que l’on puisse imaginer. L’histoire de nos origines que propose la science est bien plus puissante et plus vivide que les récits mythologiques. Pour l’écrire, les scientifiques ont sondé les recoins les plus cachés et les plus infimes de la réalité, ils se sont risqués à explorer les mondes les plus reculés et ont dû se confronter à des états de la matière si différents de ceux que l’on connaît habituellement que leur esprit en vacille presque.

De là découlent les changements de paradigme qui définissent une époque et modifient de manière irréversible nos relations. La pression incessante des découvertes scientifiques rythme ce mouvement souterrain, comme la puissante poussée d’un magma incandescent qui déforme la croûte terrestre et la déchire parfois irrémédiablement.

Le récit que la science fait de l’origine de l’univers conditionne déjà nos vies. Il modifie profondément les bases sur lesquelles seront construits les nouveaux pactes sociaux, ouvre des scénarios inédits de possibilités à exploiter et de dangers à prévenir, et détermine le futur des nouvelles générations.

C’est pourquoi cette histoire doit être connue de tous, comme c’était le cas dans toutes les communautés de la Grèce antique, où chacun pouvait raconter les mythes fondateurs de sa polis. Mais pour cela, un grand obstacle doit être surmonté : la difficulté du langage scientifique.

Une langue compliquée

Tout commence avec un événement apparemment marginal, il y a un peu plus de 400 ans, qui a comme protagoniste un professeur pisan de géométrie et de mécanique de l’université de Padoue. Quand Galileo Galilei commence à modifier le tube bizarre construit par un lunetier hollandais pour en faire un instrument d’observation des corps célestes, il est bien loin d’imaginer les ennuis que cette initiative lui attirera, et encore moins le remue-ménage que ses observations provoqueront dans le monde entier.

Ce que Galilée découvre à travers ce système de lentilles le laisse abasourdi : la Lune n’est pas ce corps céleste parfait décrit par les textes faisant autorité, sa surface n’est pas homogène, mais présente des montagnes, des cratères aux bords déchiquetés et des plaines semblables aux nôtres ; le Soleil a des taches et tourne sur lui-même ; la Voie lactée est un énorme amas d’étoiles ; les « petites » étoiles qui entourent Jupiter sont des satellites semblables à la Lune qui tournent autour de lui.

Lorsqu’il publie le résultat de ses observations en 1610 dans Sidereus Nuncius, il déclenche, peut-être involontairement, une avalanche qui va balayer un système de croyances et de valeurs établi depuis plus de 1 500 ans et que personne n’avait jamais osé remettre en question.

La modernité naît avec Galilée. L’homme s’affranchit de toute tutelle : armé de sa seule intelligence, il fait face, solitaire, à la grandeur de l’univers. Le scientifique ne cherche plus la vérité dans les livres ; il ne s’incline plus devant un principe d’autorité en répétant les formules transmises par la tradition. Il soumet dorénavant chaque chose à la critique la plus féroce. La science devient la recherche créative de « vérités provisoires » à travers des « expériences sensibles » et des « démonstrations nécessaires ».

La puissance de la méthode scientifique réside dans l’utilisation de conjectures vérifiées au moyen d’instruments qui permettent d’observer, de mesurer et de cataloguer les phénomènes les plus disparates de la nature. Ce sont les résultats des expériences, les sensate esperienze de Galilée, qui permettent de décider si une hypothèse fonctionne ou s’il convient de l’abandonner.

À partir de ses observations, on découvre bientôt des preuves irréfutables à l’appui des « folles » théories de Copernic et Kepler, qui entraînent un changement de notre vision du monde tellement radical que rien ne sera jamais plus comme avant. Art, éthique, religion, philosophie, politique, tout est bousculé par cette révolution conceptuelle qui place l’humain et sa raison au centre. Les bouleversements induits par cette nouvelle approche dans un laps de temps somme toute limité sont si profonds qu’il est difficile de trouver des précédents.

Si la science galiléenne est tellement révolutionnaire, c’est parce qu’elle ne s’arroge pas le droit de détenir la vérité, mais cherche sans relâche à falsifier ses prédictions ; elle s’exalte à l’idée de faire crouler d’un coup d’un seul les certitudes acquises jusqu’alors ; elle s’autocorrige en fonction des vérifications expérimentales ; enfin, pour mettre à l’épreuve des hypothèses toujours plus complexes, elle va jusqu’à explorer les régions les plus reculées de la matière et de l’univers.

Cette approche patiente et consciente donne naissance à de nouveaux concepts qui rendent compte de phénomènes difficiles à saisir et apparemment marginaux. Ainsi, tandis qu’une vision du monde toujours plus complète et subtile se dessine, nous finissons par comprendre jusque dans leurs moindres détails les phénomènes naturels les plus éloignés et développons des technologies de plus en plus perfectionnées.

Mais il y a un prix à payer pour emprunter cette voie : la nécessité d’avoir recours à des outils toujours plus complexes et à un langage qui se démarque de plus en plus du sens commun. En effet, dès que nous nous éloignons de notre environnement quotidien, les outils et l’appareil conceptuel qui accompagnent nos activités ordinaires se révèlent totalement inadaptés. Pour explorer les minuscules dimensions dans lesquelles se cachent les secrets de la matière ou les immenses espaces cosmiques qui nous racontent l’origine de l’univers, des années de préparation ainsi que des équipements très spécifiques sont indispensables.

Cela n’a rien de surprenant. Les explorations les plus audacieuses sur Terre exigent elles aussi leur lot de fatigue et des instruments bien précis. Pensez aux régates extrêmes, aux ascensions sur l’Himalaya ou aux expéditions au fond des abysses… Pourquoi l’exploration scientifique devrait-elle être plus simple ?

Si vous voulez vraiment apprécier la physique, il vous faudra travailler pendant des années, étudier la théorie des groupes et le calcul différentiel, maîtriser la relativité et la mécanique quantique, apprendre la théorie des champs… Une tâche ardue, car il s’agit d’un langage et de concepts difficiles à maîtriser, même pour ceux qui les pratiquent depuis des années. Mais la barrière du langage spécialisé, qui empêche la plupart des gens de pénétrer dans le cœur battant de la recherche scientifique moderne, peut être facilement levée. Il est possible d’employer le langage ordinaire pour en expliquer les concepts de base et surtout, pour rendre accessible à tous la nouvelle vision du monde que produit la science.

Un voyage dangereux

Pour comprendre l’origine de notre univers, nous devons accepter d’entreprendre un voyage particulièrement périlleux : notre esprit doit s’aventurer dans des milieux si différents de ceux auxquels nous sommes habitués que nos catégories usuelles en deviennent totalement inutiles. Nous voici contraints de raconter l’indicible, de dépeindre l’inimaginable et de nous mesurer à toutes les limites de notre cerveau, celui des Homo sapiens, qui a été un outil puissant pour explorer et coloniser la planète, mais qui s’avère tout à fait inadapté pour comprendre pleinement ce qui se passe dans des lieux aussi lointains. Comme les navigateurs d’un temps, nous n’avons d’autre choix que de mettre le cap sur l’horizon, en acceptant les dangers et les inconnues d’une expédition sur un océan inexploré.

Dans la recherche scientifique, revenir au port est toutefois aussi important que d’en partir. En cela, le chercheur moderne ressemble beaucoup à Ulysse, qui, où qu’il aille, rêve du moment où il débarquera à Ithaque. Même si vous n’avez pas découvert de nouveaux territoires, même si vous avez subi un terrible naufrage, à votre retour, vous pourrez malgré tout décrire aux autres marins les routes infructueuses et les écueils à éviter.

Car la science moderne est une grande aventure collective. Nous avons des théories et des cartes pour nous guider, mais le hasard nous conduit souvent dans des endroits totalement inconnus ; nous disposons de « navires » soigneusement conçus, dans les moindres détails, mais il suffit d’une vétille pour qu’une catastrophe survienne. Notre équipage, c’est cette communauté colorée et turbulente constituée de milliers d’esprits passionnés, ces explorateurs modernes, patients et curieux, prompts, comme Ulysse, à inventer de nouveaux stratagèmes pour surmonter chaque imprévu.

Si les grandes questions qui guident nos investigations sont quasiment de nature philosophique (de quoi est faite la matière ? comment l’univers est-il apparu ? qu’adviendra-t-il de notre monde ?), le travail des physiciens expérimentaux n’en demeure pas moins l’une des activités les plus concrètes que l’on puisse imaginer.

Un physicien des particules, l’un des 10 000 chercheurs dans e monde qui explorent le comportement des bribes les plus infimes de matière, ne reste pas assis à son bureau à faire des calculs, à réfléchir à des théories, à fantasmer sur de nouvelles particules. Saviez-vous qu’un appareil moderne de physique des hautes énergies est haut comme un immeuble de cinq étages, pèse autant qu’un croiseur et contient des dizaines de millions de capteurs ? Des milliers de personnes et une attention paranoïaque aux détails sont nécessaires pour construire et faire fonctionner ces miracles de la technologie. Pour fabriquer de nouveaux instruments plus sophistiqués que leurs prédécesseurs, pour lancer des « vaisseaux » plus agiles et plus rapides pour notre navigation, nous passons des années à développer des prototypes, à nous damner pour les faire fonctionner, puis pour les produire à grande échelle. Et même lorsque ces détecteurs patiemment entretenus sont enfin en fonction et contribuent sans problème pendant des mois à une expérience, la possibilité d’une catastrophe ne quitte jamais tout à fait nos esprits. Un détail négligé, une puce défectueuse, un connecteur fragile, un tube de refroidissement soudé à la hâte peuvent à tout moment produire des dommages irréparables à cette entreprise collective. La différence entre un succès scientifique retentissant et le pire des échecs se cache souvent dans un détail stupide et insignifiant.

Les deux voies de la connaissance

Comment recueillons-nous des informations expérimentales sur la naissance de l’espace-temps ? Comment les scientifiques étudient-ils les premiers vagissements du bébé univers ? Ici, entrent en scène deux voies de connaissance, totalement indépendantes et de nature complètement différente.

Nous avons d’un côté la physique des particules, qui explore l’infiniment petit : la matière qui nous entoure, celle qui forme les roches, les planètes, les fleurs, les étoiles… Tout, nous compris, possède des caractéristiques extrêmement particulières, des propriétés qui nous semblent ordinaires, mais qui sont en fait tout à fait spéciales, liées au fait que l’univers est une structure très ancienne et très froide. Les données les plus récentes indiquent que notre « maison » a été construite il y a près de quatorze milliards d’années et qu’il s’agit d’un milieu glacial, je dirais même froid au dernier degré. Pour nous, isolés sur la planète Terre, tout semble tiède et confortable, mais dès que nous quittons la coquille protectrice de l’atmosphère, le thermomètre dégringole. Si vous mesurez la température d’un point quelconque dans les immenses espaces vides qui séparent les étoiles ou dans l’espace intergalactique, le thermomètre marque quelques degrés au-dessus du zéro absolu (– 273 °C). La matière de l’univers actuel, raréfié, très ancien et très froid, se comporte de manière très différente de celle de l’univers enfant, qui était un objet incandescent d’une densité énorme.

Pour comprendre ce qui est advenu durant ces tout premiers instants de vie, nous devons faire preuve d’ingéniosité et trouver un moyen de reporter de minuscules fragments de matière actuelle aux températures très élevées de ces conditions initiales. Une sorte de voyage en arrière dans le temps.

Les accélérateurs de particules servent à cela. En faisant entrer en collision des protons ou des électrons de haute énergie, nous exploitons la relation d’Einstein : l’énergie est égale à la masse multipliée par la vitesse de la lumière au carré. Plus l’énergie de la collision est élevée, plus la température locale obtenue est élevée et plus la masse des particules produites (et étudiées) est importante. Pour atteindre les énergies les plus élevées, on construit des appareils gigantesques, comme le Grand collisionneur de hadrons (LHC), le puissant accélérateur du CERN qui s’étend sous terre sur 27 kilomètres, près de Genève.

En chauffant de minuscules portions de l’espace à des températures similaires à celles qui régnaient dans l’univers primitif, il est possible de ramener à la vie des particules éteintes : ces particules ultramassives qui peuplaient l’objet incandescent des tout premiers instants et qui ont disparu depuis longtemps. Grâce aux accélérateurs, elles émergent un instant du sarcophage glacé dans lequel elles hibernent, et nous pouvons les étudier en détail. C’est ainsi que nous avons découvert le boson de Higgs. Nous en avons détecté quelques poignées après un sommeil de 13,8 milliards d’années. Certes, les bosons tant recherchés se sont immédiatement désintégrés en particules plus légères, mais ils ont laissé des traces caractéristiques dans nos détecteurs. Les images de ces désintégrations particulières se sont accumulées et, lorsque nous avons eu la certitude que le signal était distinct du bruit de fond et que les autres causes possibles d’erreur étaient sous contrôle, nous avons annoncé notre découverte au monde entier.

L’exploration de l’infiniment petit, la reconstruction de particules éteintes, l’étude des états exotiques de la matière qui constituait l’univers primitif sont l’une des deux façons de comprendre les premiers instants de l’espace-temps. L’autre voie possible est celle des supertélescopes, de grands instruments qui explorent l’infiniment grand en observant les étoiles, les galaxies et les amas de galaxies, voire l’univers dans son entier. Dans ce cas également, nous utilisons la relation d’Einstein qui fixe la vitesse de la lumière à c, soit environ 300 000 kilomètres par seconde : une vitesse très élevée, mais pas infinie. Lorsque nous observons un objet très lointain, les galaxies situées à des milliards d’années-lumière par exemple, elles ne nous apparaissent pas telles qu’elles sont maintenant (il est d’ailleurs difficile de définir ce que signifie « maintenant »), mais telles qu’elles étaient il y a des milliards d’années, c’est-à-dire lorsqu’elles ont émis cette lumière qui nous parvient aujourd’hui.

Grâce aux supertélescopes, en scrutant des objets très grands et très distants, il est possible d’observer « en direct » les principales phases de la formation de l’univers et de recueillir des données précieuses sur notre histoire. C’est par exemple en relevant les premiers signaux timides émis par des milliers de nouveaux astres qui fleurissent au cœur d’énormes nébuleuses gazeuses que nous comprenons comment naissent les étoiles ; nous notons l’épaississement du gaz et des poussières dans les anneaux de matière qui orbitent autour d’un nouvel astre, un indice certain de systèmes protoplanétaires en formation. Notre Soleil et les planètes qui l’entourent se sont formés ainsi, et assister à un tel spectacle est merveilleux.

Si nous nous aventurons encore plus loin, nous surprenons la formation des premières galaxies, des objets turbulents qui émettent parfois d’énormes quantités de radiations dans toutes les longueurs d’onde, un indice très net d’une naissance traumatique. Grâce aux supertélescopes, nous pouvons enfin observer les merveilles de l’univers dans son ensemble et mesurer certaines de ses propriétés avec une précision effrayante. La distribution locale des températures de l’univers est une sorte de mémoire incroyable qui renferme les traces éloquentes des événements survenus aux tout premiers instants : d’infimes fluctuations de température nous renseignent sur notre histoire la plus ancienne dans un langage que nous sommes capables d’interpréter depuis longtemps.

Mais le plus prodigieux, c’est que ces deux voies de connaissance, fondées sur des méthodes complètement différentes, presque sans rapport entre elles, administrées par deux communautés indépendantes, sont parfaitement cohérentes : les données recueillies dans le monde des distances infinitésimales des particules élémentaires et dans le monde des énormes distances cosmiques convergent, implacablement, vers le même récit des origines.

Vous qui entrez ici, abandonnez tout préjugé

Le discours scientifique exige enfin et surtout l’abandon de toute forme de préjugé. Les vrais explorateurs n’ont pas peur de l’inattendu ; bien au contraire, ils appellent de leurs vœux la chance d’observer des phénomènes totalement insoupçonnés. Comme les mythiques Argonautes à la recherche de la Toison d’or, c’est la curiosité davantage que l’espoir d’une récompense qui les anime. Loin d’aspirer à la tranquillité, ils ont le goût du risque.

Lorsqu’on entreprend un voyage vers l’origine du monde comme celui que nous nous apprêtons à faire, il faut abandonner immédiatement et pour toujours des concepts qui guident notre vie quotidienne, tels que la persistance des choses ou la réassurance que procure l’harmonie autour de nous. Nous ne pourrons plus nous référer à l’univers en utilisant le mot « cosmos », ce système ordonné et régulier opposé au chaos, le désordre étant relégué dans des régions éloignées et insignifiantes.

Nous sommes tellement conditionnés par notre vie quotidienne, par ce que nous voyons et expérimentons habituellement à l’intérieur de notre mince coquille sphérique, qu’il nous semble naturel d’étendre les lois qui régissent notre existence au reste de l’univers. Enchantés par la régularité avec laquelle la nuit succède au jour, par la récurrence des cycles de la Lune et des saisons, par la persistance des étoiles qui illuminent la voûte céleste, nous avons imaginé que des équilibres similaires devaient exister partout ailleurs. Mais tel n’est pas le cas. Bien au contraire.

Nous n’existons que depuis quelques millions d’années, nos vies ont une durée infinitésimale par rapport aux cycles de n’importe quel processus cosmique important ; nous habitons sur une planète rocheuse et chaude, riche en eau, entourée et protégée par une atmosphère confortable et un champ magnétique bienveillant qui, comme des couvertures magiques, absorbent les rayons ultraviolets, nous protègent des effets dévastateurs des rayons cosmiques et des essaims de particules. Notre étoile mère, le Soleil, est de taille moyenne et se trouve dans une région très calme et plutôt périphérique de la galaxie qui nous accueille. L’ensemble du Système solaire tourne lentement, si l’on peut dire, à 26 000 années-lumière du centre de la Voie lactée. Une distance de sécurité, car là déjà se tapit un trou noir monstrueux, Sagittarius A*, un objet pesant quatre millions de masses solaires, capable de détruire des milliers d’étoiles autour de lui.

Si nous observons attentivement les phénomènes qui affectent des corps célestes apparemment immobiles et placides comme les étoiles, nous rencontrons des objets incroyables et constatons que d’immenses quantités de matière peuvent se comporter de manière très excentrique.

C’est le cas des pulsars, des objets ténébreux et compacts, qui concentrent dans un rayon d’environ dix kilomètres la masse d’un ou deux soleils. Des myriades de neutrons sont emprisonnées par la gravité, qui les écrase, les comprime et tente de les broyer, tandis que l’étoile tourbillonne sur elle-même en produisant des champs magnétiques impensables.

Sans parler des quasars et des blazars, ces corps ultra-massifs qui rugissent au centre de certaines galaxies. Des trous noirs aux masses disproportionnées, jusqu’à des milliards de fois celle du Soleil, capables d’avaler les étoiles malchanceuses happées par leur monstrueux champ gravitationnel. Cette danse macabre se déploie sur des millions d’années et nous pouvons l’observer depuis la Terre, car la matière qui tombe en tournoyant dans l’abîme se tord, se désintègre et finit par émettre des jets et des rayons gamma de haute énergie que nos détecteurs sont capables d’identifier.

Ces étranges corps célestes – étoiles à neutrons et trous noirs – sont à l’origine de catastrophes incommensurables qui semblent constituer la routine de régions entières du « cosmos ». Aujourd’hui, nous pouvons les étudier avec une grande précision, jusqu’à les voir entrer en collision les uns avec les autres, générant des ondes gravitationnelles qui nous parviennent à des milliards d’années-lumière de distance.

Mais il n’est pas nécessaire de chercher si loin pour comprendre comment le chaos se cache sous l’apparence du cosmos : il suffit d’observer la surface du Soleil. Vue de près, l’étoile tranquille que nous imaginons, qui illumine placidement nos journées, est un système complexe et chaotique, fait d’innombrables explosions thermonucléaires, de mouvements de convection, d’oscillations périodiques de masses effrayantes et de flux de plasma projetés par de puissants champs magnétiques. À l’intérieur de notre étoile se déroule un affrontement de forces titanesques, une bataille qui dure depuis d’innombrables années, avec un vainqueur annoncé : la gravité. Dans quelques milliards d’années, lorsque le combustible nucléaire sera épuisé, celle-ci réussira enfin à rompre et broyer les couches internes du Soleil, provoquant son effondrement. Le noyau central sera comprimé tandis que les couches extérieures commenceront à se dilater jusqu’à atteindre Mercure, Vénus et la Terre, qui s’évaporeront alors instantanément.

Des systèmes hautement chaotiques, vus de loin, peuvent donc nous sembler ordonnés et réguliers. La même chose se produit à l’autre extrêmité du spectre des observations, dans le monde de l’infiniment petit.

La plus brillante et la plus lisse des surfaces, examinée de très près, révèle immédiatement la danse chaotique des composants élémentaires de la matière qui fluctuent, oscillent, interagissent et changent de nature à un rythme effréné. Les quarks et les gluons, qui composent les protons et les neutrons, changent sans cesse d’état, interagissant entre eux et avec les myriades de particules virtuelles les entourant. Au niveau microscopique, la matière suit implacablement les lois de la mécanique quantique, régies par le hasard et le principe d’indétermination. Rien n’est immobile, tout bouillonne dans une extraordinaire variété mouvante d’états et de possibilités.

Mais lorsque nous observons un grand nombre de ces particules, lorsque les structures deviennent macroscopiques, les mécanismes qui régissent leur dynamique acquièrent presque par magie régularité, persistance, ordre et équilibre. La superposition d’un nombre gigantesque de phénomènes microscopiques aléatoires, qui se développent dans toutes les directions possibles, produit des états macroscopiques ordonnés et persistants.

Peut-être faut-il utiliser un nouveau concept pour décrire cet état de fait apparemment structurel : chaos cosmique pourrait être l’oxymore qui convient pour mettre en relation ces deux entités qui se poursuivent et jouent à cache-cache dans l’univers. Nous retrouvons cette dynamique lorsque nous sondons les recoins les plus infimes du monde des particules élémentaires, mais aussi lorsque nous observons ce qui se passe au cœur des étoiles ou des structures gigantesques, comme les galaxies ou les amas de galaxies.

Parmi tous les préjugés que nous devrons abandonner pour comprendre la naissance de l’univers, il y a surtout celui de l’ordre. Notre seul guide durant ce voyage sera l’imagination, qui mettra en scène des concepts à faire pâlir d’envie tous les romans de science-fiction. Ce périple nous familiarisera avec les théories qui sont en train de changer à jamais notre vision du monde. Et peut-être, en refermant ce livre, nous découvrirons-nous différents de ce que nous étions avant de nous lancer dans cette aventure.

Attachez vos ceintures, nous partons.