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La grande peur du commencement

C'est le premier matin d'une nuit d'été, à la campagne. La lune est partout : en lumière figée, bleue et calme, immobile. Sous l'horizon à peine visible, le soleil est encore ailleurs. Très loin derrière d'autres champs, un chien inconnu aboie vers les étoiles. Il a le nez dans l'Univers. Et à cette heure fragile, avant l'aube, sous la lumière sombre venue de si loin, on ne peut s'empêcher de devenir, chacun pour soi, le rêveur de questions profondes : depuis quand ces soleils étrangers, pâles comme la nuit, brillent-ils dans l'infini ? Comment l'espace où tout est silence, étoiles et rayonnement, depuis des milliards d'années, est-il apparu ?

Avec ces questions simples, si familières, commence pour chacun de nous un fantastique voyage vers l'inconnu. Or, à un moment ou à un autre, quels que soient nos connaissances ou notre désir de savoir, nous finissons tous par atteindre une interrogation ultime. Une dernière question qui, dans un vertige, nous laisse sans réponse : quelle est l'origine de l'Univers ?

Nous voici face à l'immensité. A-t-il vraiment existé, dans un passé lointain, introuvable dans l'infini, un « instant zéro », un début marquant l'origine de l'espace et le commencement du temps ? Et si oui, à quoi pouvait donc bien ressembler notre univers à cet instant zéro à peine imaginable ? Etrangement, en même temps qu'elle fascine, cette question suscite presque aussitôt une sorte d'angoisse. Chez nombre de savants, comme nous allons le voir, elle va se mêler de peurs lointaines, d'un sentiment d'anéantissement, d'une crainte d'y perdre définitivement sa raison d'homme de science.

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On l'a vu, lorsque, dans les années quatre-vingt, nous étions au travail, avec le philosophe Jean Guitton, sur notre livre Dieu et la Science, il n'existait encore aucune réponse à la question du début des temps. Dès nos premières rencontres, en 1986, l'héritier de Bergson s'était pourtant demandé avec force : « Que s'est-il passé au début des temps pour donner naissance à tout ce qui existe aujourd'hui ? à ces arbres, ces fleurs, ces passants qui marchent dans la rue, comme si de rien n'était ? Quelle force a doté l'univers des formes qu'il revêt aujourd'hui¹ ? »

A peine plus tard (en 1988) allait paraître un merveilleux livre, rayonnant d'idées nouvelles et qui, justement, portait sur ce « début des temps ». En quelques mois à peine, Une brève histoire du temps allait devenir dans le monde entier l'un des plus grands best-sellers en physique théorique. Et plein d'espoir, son auteur Stephen Hawking concluait son livre sur ces lignes : « Si nous découvrons une théorie complète, elle devrait un jour être compréhensible dans ses grandes lignes par tout le monde, et non par une poignée de scientifiques². »

C'était il y a bientôt vingt ans. A l'époque, cette merveilleuse théorie complète de l'Univers « compréhensible par tout le monde » n'existait naturellement pas. Pensif à l'ombre molle de son chapeau, Jean Guitton nous avait alors confié : « La science semble impuissante à décrire ou même à imaginer quoi que ce soit de raisonnable, au sens le plus profond du mot, lorsque le temps était encore dans le zéro absolu et que rien ne s'était encore passé³. »

En effet, l'idée du « zéro absolu » du temps et de l'espace ne va pas de soi. Car lorsqu'on pense à la Singularité Initiale, on ne peut échapper à cette image folle : celle d'un univers tellement comprimé au commencement qu'il tient tout entier dans un seul point, une portion d'espace de volume nul et de courbure infinie. Un point correspondant à un instant que l'esprit ne peut imaginer : l'« instant zéro » à l'origine du temps et de l'espace. Or, ce scénario inconcevable a effrayé les plus grands, Albert Einstein en tête. Littéralement glacé à l'idée que l'Univers puisse ne pas être éternel, le grand savant avait donc décidé de forcer ses équations en y rajoutant un terme qui n'avait rien à voir avec les calculs : la « constante cosmologique ». Sur le papier, celle-ci empêchait l'Univers de subir l'expansion. Pourtant, dans son for intérieur, Einstein savait qu'il était en train de faire une erreur immense : « J'ai encore perpétré contre la théorie de la gravitation un geste qui m'expose au danger d'être enfermé en asile psychiatrique⁴ », devait-il écrire à l'un des ses plus fidèles amis.

Mais, pour autant, il n'a jamais admis que l'Univers ait pu avoir un commencement. Et lorsqu'il disparaît, en 1955, la plupart de ses collègues partagent encore son point de vue : impossible que le cosmos ait pu naître d'un tout petit « œuf cosmique » ! La situation allait-elle évoluer par la suite ? Curieusement, depuis une trentaine d'années, le point de vue des physiciens théoriciens, des astrophysiciens et même des spécialistes en cosmologie n'a cessé de s'assombrir. Même si, en 1970, deux jeunes théoriciens anglais, Penrose et Hawking (nous y reviendrons plus loin) ébranlent la physique du cosmos en publiant des calculs stupéfiants : les « théorèmes de singularités ». Des mathématiques compliquées, des raisonnements difficiles. Ces splendides constructions, forgées dans le calcul, ont montré à une génération de scientifiques médusés que les singularités étaient inévitables : aussi bien au fond des trous noirs qu'à l'origine de l'Univers. Mais que savait-on vraiment du contenu de ces singularités ? Rien, toujours rien.

A tel point qu'aujourd'hui, l'avis de nombreux physiciens se limite à un haussement d'épaules : ce qu'il y avait avant ? « Personne ne peut le dire ! » est-il écrit sèchement — une fois pour toutes — sur l'un des sites scientifiques les plus en vue d'internet⁵. « Avant le Big Bang ? » : à son tour, le physicien théoricien Michio Kaku, professeur à l'Université de New York, sursaute (même si, plus tard, il a apporté un soutien écrit à nos idées sur l'origine de l'Univers) : « Posez à n'importe quel cosmologiste cette question et il lèvera les bras au ciel. Après vous avoir foudroyé du regard, il vous lancera : "Tout ça restera sans doute à jamais hors de portée de la science. Nous ne savons tout simplement rien du tout⁶ ! " » Pour preuve, il existe aujourd'hui sur internet plus de deux millions d'articles sur cette question, mais aucun n'apporte la moindre réponse. D'où cette frustration vague éprouvée par le grand public, magnifiquement résumée par Woody Allen : « Si je ne peux vraiment pas savoir d'où vient l'Univers, alors franchement, je trouve que j'ai payé ma voiture beaucoup trop cher ! »

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Ici, arrêtons-nous quelques instants : pour peu que l'on y réfléchisse, l'idée même de la naissance du temps et de l'espace paraît si peu vraisemblable, si éloignée de nos intuitions (même les plus folles), qu'après tout, on ne voit aucune raison particulière d'y croire. Pourtant, la curiosité est particulièrement vive⁷ et s'inscrit bien dans cette question posée, lors d'un colloque organisé pour le soixantième anniversaire de Stephen Hawking, par le physicien théoricien George Ellis : « Y a-t-il une origine à notre Univers ? Et si oui, à quoi ressemble cette origine ? [...] L'option d'un univers qui ne changerait pas a été disqualifiée par les observations astronomiques [...] Mais pour autant, ceci ne règle pas la question de savoir s'il existe oui ou non un commencement⁸. »

En effet. Mais avant de « régler la question », nombre de physiciens laissent d'abord passer dans leurs commentaires une irritation presque palpable : « Une fois pour toutes, ce qui s'est passé avant le Big Bang est une question impossible ! Comme l'espace et le temps n'existaient pas encore, il n'y avait tout bêtement pas d'avant. Voilà tout⁹ ! » Ou bien encore une sorte d'effroi presque religieux, comme sur ce site exclusivement consacré à la théorie des cordes : « Le terrible Mur de Planck est à tout jamais inconnaissable¹⁰ ! » Sans doute parce qu'il n'est pas facile (que l'on soit physicien ou non) d'imaginer que l'Univers entier et tout ce qu'il contient (la Terre — avec ses maisons, ses voitures, ses immenses montagnes — et les autres planètes du système, le soleil, les étoiles, les milliards de galaxies), tout cela ait pu, à l'origine, être réduit à un simple point.

Un point zéro

En mathématique, la notion de « singularité » a depuis longtemps un sens bien défini, rappelé par le professeur Jadczyk dans sa préface. Contrairement à ce que nous pourrions penser, nous avons tous vu — et même touché — des singularités dans notre espace habituel à trois dimensions. Prenons ainsi la surface d'un cône — un cornet de glace par exemple — et parcourons-la du doigt. Tout y est lisse, ce qui veut dire que les points appartenant au bord du cône sont tous réguliers. Tous, sauf un seul : le sommet, qui est un « point singulier » (il « pique » si l'on appuie dessus). En somme, un point extraordinaire, différent de tous ceux qui l'entourent, où la trame habituelle de l'espace s'évanouit brutalement. Or, depuis quelques dizaines d'années, on retrouve une idée un peu comparable en physique. L'espace est « normal » partout dans l'Univers (aucun danger de se heurter à un point singulier en marchant dans la rue). Mais rien ne va plus au fond de ces régions mystérieuses qu'on appelle les trous noirs ou, pis encore, lorsqu'on remonte vers l'origine de l'espace-temps. Là, tout se déforme, se distord et se creuse sous l'emprise grandissante de la gravitation. De plus en plus tendues, les lignes d'Univers s'étirent dangereusement, s'enroulent l'une après l'autre autour du siphon gravitationnel. A la fin, elles s'incurvent à l'infini et ce qui reste de l'espace-temps s'effondre au cœur d'un formidable bouillonnement gravitationnel, englouti à jamais dans le néant insondable de la Singularité.

Mais face à ce phénomène, les résistances sont là, plus fortes que jamais. Un exemple ? Le physicien canadien Lee Smolin — bien qu'ayant avoué dans Nature être peu familier du langage mathématique utilisé dans nos travaux¹¹ — a toutefois tranché : nos idées inhabituelles concernant l'origine « sont difficiles à comprendre » et elles doivent absolument être « rediscutées »¹². Pourquoi ? Parce que, selon lui, comme il l'a écrit ailleurs un an plus tôt, « il n'y a jamais eu de Singularité Initiale (c'est-à-dire un point où la courbure de l'espace-temps devient infinie) et par conséquent, il n'y a jamais eu de premier instant dans le temps ! Tout cela est insensé¹³. »

Smolin est-il un cas isolé ? Loin de là ; la plupart des scientifiques sont aujourd'hui encore du même avis. La Singularité Initiale ? Une « monstruosité¹⁴ », lance avec force l'astrophysicien Christian Magnan, membre du Collège de France. Saisi du même effroi, le physicien américain Joseph Silk (pourtant auteur il y a quelques années du livre à succès Le Big Bang) vient lui aussi d'écrire : « Espérons qu'une théorie de la gravitation plus aboutie fera un jour son apparition pour nous tirer d'affaire et nous permettre d'esquiver la prédiction d'un tel monstre tapi quelque part dans le ciel¹⁵. » Nous tirer d'affaire ? Ce sont presque les mêmes mots que choisit le physicien américain John Baez juste six mois avant de déclencher sur internet la plus ahurissante des polémiques à propos de nos idées sur l'origine. Cela, précise-t-il avec nervosité, pour « nous sauver des horreurs de la Singularité du Big Bang¹⁶ ». Et pour clore à tout jamais le débat, D. J. Raine, également astrophysicien, résume (sur un mode presque parodique) la vision aujourd'hui en vogue : « L'idée d'un commencement de l'Univers est tellement répugnante qu'elle doit être éliminée à tout prix. »

Une prise de position qui incite tout de même à réfléchir. Tout comme ce courrier que nous a récemment transmis Gérard t'Hooft, Prix Nobel de physique : « Il m'est totalement impossible de parler de ce sujet. Je ne vois pas la moindre raison de croire dans les théories qui concernent le pré-big-bang ou les échelles inférieures à celles de Planck. Ceci dans la mesure où même notre côté du Mur de Planck est encore très mal compris. Vous pouvez spéculer sur ces sujets autant qu'il vous plaira, mais ne me parlez surtout pas de ces théories "non physiques". Je vous en prie, laissez-moi en dehors de ça¹⁷. »

A son tour, l'astrophysicien Marc Lachièze-Rey résume bien cette impression de déroute de la science face au Mur de Planck : « Il est impossible de prolonger la reconstitution vers le passé au-delà d'une barrière de non-connaissance [...] baptisée barrière de Planck¹⁸. » Impossible ! Ce mot revient sur presque tous les sites scientifiques, spécialisés ou pas : « Le chronomètre de l'Univers n'a pas de Zéro. Impossible pour les physiciens de remonter jusqu'à l'ultime instant de l'explosion primordiale, au temps t = 0. La première image du film Big Bang est introuvable.¹⁹ »

Une étape de plus est franchie avec l'aveu d'impuissance du mathématicien Alain Connes, membre de l'Académie des sciences et médaille Fields. Saisi d'effroi devant l'existence même de nos recherches sur l'« avant-Big Bang », celui-ci a témoigné de ses craintes jusque dans les colonnes du Monde : « J'avoue que quand les physiciens théoriciens s'écharpent sur les premières microsecondes de l'Univers, il y a matière à se poser des questions sur l'absence de sanctions expérimentales à leur imagination théorique²⁰. » Peut-être. Mais ici, ce commentaire de Connes est directement contredit par un de ses collègues du Collège de France : « Il peut sembler frivole de se demander ce qui s'est exactement passé au cours du premier milliardième de seconde après le big bang. Mais les conséquences en sont souvent vérifiables²¹. »

Enfin, dernier stade : le domaine situé au-delà de cette énigmatique barrière de Planck est finalement frappé d'interdiction. En voici un exemple récent, fourni par un astrophysicien français de l'observatoire de Besançon, selon lequel un principe « interdit d'imaginer ce qui a eu lieu entre t = 0 et t = 10⁻⁴³ seconde (le Mur de Planck). [...] Aucun scientifique ne saurait affirmer quoi que ce soit sur ce qui a pu se passer avant cet instant, et donc, en particulier, sur la réalité de la singularité initiale²² ». Même réaction — est-ce bien surprenant ? — chez John Baez qui, à court d'arguments, finit par lâcher, perdu pendant quelques instants : « Je n'ai pas la moindre idée de ce qu'est une Singularité Initiale, voilà tout ! [...] » Mais, se reprenant aussitôt, il ajoute avec un agacement soudain définitif: «La seule attitude responsable consiste à avouer que nous ne disposons pas du plus petit indice concernant ce qui s'est passé avant et, disons, juste une microseconde après le Big Bang²³. »

Or, nous sommes d'un avis évidemment contraire. Depuis peu ont émergé des méthodes mathématiques nouvelles et profondes qui révolutionnent la science de l'infiniment petit. Elles sont difficiles, peu connues, souvent énigmatiques. Leur combinaison donne des résultats encore plus étranges que tout ce qu'on pouvait imaginer. Mais, à condition d'être bien exploitées, elles permettent de se frayer efficacement un chemin vers ces «premières microsecondes de l'Univers » dont parle Alain Connes (ces premiers instants étant d'ailleurs, contrairement à ce qu'il écrit un peu vite, bien plus petits que des microsecondes). Nous avons donc utilisé ces méthodes nouvelles. Et pour la première fois, il nous est alors devenu possible d'explorer l'Univers avant le Mur de Planck et de remonter jusqu'à la Singularité Initiale — ce mystérieux point zéro — qui marque, « avant » le Big Bang, l'origine de l'espace-temps.

Ce voyage extraordinaire, nous le ferons ensemble, pour la première fois, dans les pages qui suivent. Mais avant cela, il faudra nous souvenir qu'une telle aventure n'aura été rendue possible, dès les années 1900, que grâce à ces autres hommes, des mathématiciens, des physiciens, qui ont jeté toutes leurs forces, parfois même donné leur vie, pour comprendre, jour après jour, l'immense mystère qu'ils commençaient à deviner dans les brumes incertaines du passé de l'Univers. En somme, comme aimait à le répéter Einstein face à ce monde étrange : « La nature nous montre seulement la queue du lion. Mais je suis sûr qu'il y a un lion au bout. Même si on ne peut pas l'apercevoir tout entier, en raison de sa taille énorme. »

1. Dieu et la Science, Grasset, 1991.

2. Une brève histoire du temps, Flammarion, 1988.

3. Dieu et la Science, op. cit.

4. Cité par Charles Seife in Zéro, Lattès, 2002.

5. http://www.google.fr/search

6. http://home.flash.net/~smith0/bigbang.htm

7. Un exemple : si l'on sélectionne à l'aide de Google l'expression « Initial Singularity » sur intemet, on trouvera plus de 150 000 entrées composées de ces termes (notre article « Topological Field Theory of the Initial Singularity of Spacetime » apparaît en tête de cette très longue liste).

8. George Ellis, « Cosmological Perturbations and Singularities », in The Future of Theoretical Physics and Cosmology, Cambridge University Press, 2003.

9. http: //www.geocities.com/astrosci4u/bbang.html

10. http: //superstringtheory.com

11. « C'est un sujet difficile », avait-il soupiré en novembre 2002, au début de « l'Affaire Bogdanov ».

12. Declan Butler in Nature, 7 novembre 2002.

13. http: //physiesweb.org/

14. Christian Magnan: http://www.dstu.univ-montp2.fr/GRAAL/perso/magnan/an2000.html

15. Joseph Silk in Une brève histoire de l'Univers, Odile Jacob, 2003.

16. John Baez http : //www.Ins.cornell.edu/spr/2001-05

17. Courrier adressé Par Gérard t'Hooft à Igor et Grichka Bogdanov le 23 février 2004.

18. In Tous les savoirs, Odile Jacob, 2000.

19. http://www.cite-sciences.fr

20. Le Monde, 20 décembre 2002.

21. Alain Bouquet, chercheur au Collège de France. In La Recherche, hors série n° 14.

22. François Vernotte, Observatoire de Besançon http: //www.obsbesancon.fr

23. « Lettre pour le Science Physics Research sur la Singularité Initiale ».

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À la recherche du Big Bang

Quel est le sens de la vie ?

Si par une nuit sans nuage vous vous posez cette question, peut-être irez-vous chercher une réponse dans le monde silencieux des étoiles. Comme l'ont fait, avant vous, des millions d'hommes. Peut-être alors votre esprit sera-t-il un instant traversé par la trace fantomatique de leurs pensées. Par des peurs infinies. Et des espoirs radieux.

Pour les mécaniciens grecs, l'Univers était sans commencement ni fin : il existait depuis toujours et pour l'éternité. D'ailleurs, pour éviter tout danger, toute tentation de penser à une quelconque origine du monde, Aristote (grand philosophe mais moins inspiré en mathématiques) lançait il y a 2500 ans son terrible anathème, que nous répétons encore aujourd'hui sans nous souvenir d'où il vient : « La nature a horreur du vide. » Car le penseur s'était juré de bannir à tout jamais le zéro — créature surgie des Enfers — de la famille des nombres. Sans le moindre remords. Dès lors, la relation entre l'homme et le cosmos devenait presque simple : le sens de la vie consistait, essentiellement, à trouver sa place dans le grand ordre du monde¹. Or, après Einstein, tout change : on découvre, à contrecœur, que l'Univers n'existe pas depuis toujours, qu'il a eu un début et qu'il aura, peut-être, une fin. De là ce paradoxe : alors que les calculs et l'observation montrent bien que le cosmos n'est pas immuable, qu'il évolue dans le temps, il reste très difficile, pour la plupart des hommes de science (et a fortiori pour l'homme de la rue), d'admettre que l'espace-temps tout entier, avec ses milliards d'étoiles et ses milliards de galaxies, ait pu, à un instant initial, se trouver comprimé dans une « région » bien plus petite que le plus petit des grains de sable. Comment concevoir intuitivement que notre univers, dont le rayon est aujourd'hui d'au moins treize milliards et demi d'années-lumière (et qui contient des milliards de galaxies, composées elles-mêmes de milliards d'étoiles), ait pu, voici treize milliards et demi d'années, être « contenu » dans un point unique et émerger spontanément à partir de rien ? Avant d'approcher prudemment la réponse, il nous faut d'abord comprendre que celle-ci ne s'est pas imposée comme ça, d'un seul coup. Elle aura fait l'objet d'innombrables débats, de discussions acharnées, de combats d'idées parfois violents, avant d'être — enfin — reconnue par les hommes de science.

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Tout commence au cours des premières années du XXe siècle. A cette époque, Albert Einstein n'a pas encore construit le formidable édifice de la relativité générale et la mécanique de l'infiniment petit (qui ne s'appelle pas encore « mécanique quantique ») n'en est qu'à ses balbutiements. Aux yeux des astronomes, l'idée même de « galaxies », composées d'étoiles extérieures à notre Voie lactée, est encore loin d'être admise. « Totalement grotesque ! », lancera même, en 1903, l'un des astronomes les plus en vue de l'Académie des sciences. Jusqu'alors, un homme, un seul, avait osé affirmer l'existence d'autres galaxies dans l'Univers : il n'était pas astronome mais devait atteindre la gloire en tant qu'écrivain de contes fantastiques : Edgar Allan Poe. Dans « Eurêka », un étrange poème en prose, il ose dès 1848 ces lignes incroyablement prophétiques : « Notre galaxie n'est rien d'autre que l'un des amas que j'ai déjà évoqués, l'une de ces "nébuleuses" incorrectement nommées et révélées par le télescope — telles de faibles taches perdues dans différentes régions de l'espace. Nous n'avons aucune raison de penser que la Voie lactée est plus grande que la moindre de ces "nébuleuses". » Nous sommes en 1848 : ce texte stupéfiant avait pratiquement cent ans d'avance. Mais les scientifiques de ce temps se moquent bien des « divagations » d'Edgar Poe, ce « petit compositeur d'histoires fantaisistes ». Car à cette époque insouciante, où les idées apparaissent encore sous des chapeaux hauts de forme, on se fait souvent une image bien naïve de tout ce qui touche « au ciel ». Un exemple ? Celui de Lord Kelvin, sommité de la science britannique, alors président de la Royal Society : « Je n'ai pas le plus petit atome de croyance en cette idée saugrenue de navigation aérienne, hormis, bien sûr, les vols en ballon. » En toute bonne foi, on reste alors fermement persuadé que les « nébuleuses », comme on les appelle encore, sont confinées à l'intérieur de notre seule galaxie. Que la Voie lactée représente tout l'Univers. Et qu'il n'y a rien d'autre au-dehors, si ce n'est un océan de vide, un désert d'espace sans fin, noir, immobile et glacé. Une telle vision de l'Univers — finalement encore toute proche du « monde-sphère » d'Aristote — renforce naturellement l'idée selon laquelle l'espace et le temps sont des absolus qui s'étendent à l'infini, sans commencement ni fin.

De fait, pour les astronomes de l'époque, le monde est très simplement réglé, telle une machinerie immuable, par la mécanique newtonienne. Et pourquoi donc faudrait-il imaginer autre chose ? Après tout, il suffit, pense-t-on, de se reporter avec bon sens à ce que l'on observe tous les jours. Car l'espace absolu n'est autre que celui de la vie quotidienne, avec ses trois dimensions : longueur, largeur et hauteur. Tout le monde peut s'accorder sur la position ou la taille d'un objet quelconque situé dans cet espace. De même, le temps absolu n'est-il pas donné à chaque instant ? Ce temps qui coule uniformément, au même rythme pour tous, indépendamment du mouvement, à mesure que nous vieillissons. « Que sont ces histoires de durées qui se contractent ? Pour mesurer correctement le temps, il vous suffit de consulter une horloge en bon état, voilà tout ! » lancera avec irritation l'un de ces savants en chemise à col cassé au physicien Paul Langevin, l'un des précurseurs de la relativité, éperdu d'amour pour Marie Curie, alors jeune veuve de trente-huit ans².

Quant à l'univers dans son ensemble, les astronomes — comme les philosophes — sont encore persuadés que le cosmos est absolument fixe : l'espace (l'éther, comme on disait à l'époque) constitue une arène immuable au sein de laquelle se déplacent majestueusement planètes, étoiles et autres corps célestes. Corollaire naturel, le vide à trois dimensions est plat et ne comporte aucun bord (il n'y a pas de limite physique à cet espace). Dès lors, savoir si celui-ci existe de toute éternité ou s'il a été créé sous sa forme présente relève de la théologie ou, au mieux, d'une mauvaise métaphysique.

Et pourtant, un demi-siècle plus tard, un mot, un seul, allait balayer toutes ces tranquilles certitudes.