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Saurons-nous jamais exactement comment l’univers est apparu en ballon?

Les physiciens ont longtemps été incapables de percer le mystère de ce qui s’était passé dans les moments où une petite graine disparaissait dans l’univers. Maintenant, un scientifique pense savoir pourquoi ils ne peuvent pas proposer une description physique de ce phénomène appelé inflation: l’univers ne nous le permettra pas.

Plus précisément, le scientifique décrit une nouvelle conjecture selon laquelle, concernant le jeune univers, «l’observateur devrait être protégé» de l’observation directe des plus petites structures du cosmos.

En d’autres termes, par définition, les physiciens ne seront peut-être jamais capables de construire un modèle d’inflation en utilisant les outils habituels, et ils devront trouver un meilleur moyen.

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Mais pourquoi pas? Cette nouvelle conjecture, qui est une opinion ou une pensée basée sur des informations incomplètes, met le doigt sur une caractéristique particulière des modèles d’inflation. Ces modèles prennent de très, très petites fluctuations dans l’espace-temps et les agrandissent. Mais nous n’avons pas une théorie physique complète de ces petites fluctuations, et donc les modèles d’inflation qui ont cette caractéristique (qui est presque tous) ne fonctionneront jamais.

Entrer théorie des cordes, qui pourrait être la clé pour élucider les secrets de l’inflation.

Gonflez

Observations de la structure à grande échelle de l’univers et des restes de lumière du Big Bang ont révélé que dans le tout premier univers, notre cosmos a probablement connu une période d’expansion incroyablement rapide. Cet événement remarquable, connu sous le nom d’inflation, a conduit l’univers à devenir des trillions et des trillions de fois plus grand en une infime fraction de seconde.

Dans le processus de devenir énorme, l’inflation a également rendu notre cosmos un peu cahoteux. Au fur et à mesure que l’inflation se développait, les plus petites fluctuations quantiques aléatoires – des fluctuations intégrées dans le tissu même de espace-temps elle-même – est devenue beaucoup, beaucoup plus grande, ce qui signifie que certaines régions étaient plus densément remplies de matière que d’autres. Finalement, ces différences sous-microscopiques ont grandi pour devenir macroscopiques… et même plus grandes, s’étendant dans certains cas d’un bout à l’autre de l’univers. Des millions et des milliards d’années plus tard, ces minuscules différences de densité sont devenues les graines des étoiles, des galaxies et des plus grandes structures du cosmos.

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Les astronomes soupçonnent fortement que quelque chose comme cette histoire d’inflation s’est produit dans les premiers instants de l’univers, quand il avait moins d’une seconde; même ainsi, ils ne savent pas ce qui a déclenché l’inflation, ce qui l’a alimenté, combien de temps elle a duré ou ce qui l’a coupée. En d’autres termes, les physiciens manquent d’une description physique complète de cet événement capital.

Ajoutant au mélange de mystères, c’est que dans la plupart des modèles d’inflation, les fluctuations à des échelles extrêmement minuscules se gonflent pour devenir des différences macroscopiques. Comment minuscule? Plus petit que le longueur Planck, soit environ 1,6 x 10 ^ moins 35 mètres (le nombre 16 précédé de 34 zéros et d’un point décimal). C’est l’échelle où la force de la gravité rivalise avec celle de l’autre forces fondamentales de la nature. À cette échelle, nous avons besoin d’une théorie unifiée de la physique pour décrire la réalité

Nous n’avons pas une telle théorie.

Nous avons donc un problème. La plupart (sinon tous) des modèles d’inflation exigent que l’univers devienne si grand que les différences sous-planckiennes deviennent macroscopiques. Mais nous ne comprenons pas la physique sous-planckienne. Alors, comment pourrions-nous construire un modèle théorique de l’inflation si nous ne comprenons pas la physique sous-jacente?

Au-delà de l’échelle de Planck

Peut-être que la réponse est: nous ne pouvons pas. Jamais. Ce concept est appelé la conjecture de censure trans-planckienne, ou TCC (dans ce nom, «trans-planckien» signifie tout ce qui atteint en dessous de la longueur de Planck).

Robert Brandenberger, cosmologiste théorique suisse-canadien et professeur à l’Université McGill à Montréal, Canada, récemment a rédigé un avis sur le TCC. Selon Brandenberger, «le TCC est un nouveau principe qui contraint les cosmologies viables». Selon lui, le TCC implique que tout observateur dans notre monde à grande échelle ne peut jamais « voir » ce qui se passe à la toute petite échelle trans-planckienne. Même si nous avions une théorie de la gravitation quantique, le TCC déclare que tout ce qui vit sous le régime sous-planckien ne «traversera» jamais le monde macroscopique. Quant à ce que le TCC pourrait signifier pour les modèles d’inflation, ce n’est malheureusement pas une bonne nouvelle.

La plupart des théories de l’inflation reposent sur une technique connue sous le nom de «théorie des champs efficaces». Comme nous n’avons pas de théorie qui unifie la physique à haute énergie et à petite échelle (c’est-à-dire des conditions comme l’inflation), les physiciens essaient de construire des versions à faible énergie pour progresser. Mais sous le TCC, ce genre de stratégie ne fonctionne pas, car lorsque nous l’utilisons pour construire des modèles d’inflation, le processus d’inflation se produit si rapidement qu’il « expose » le régime sous-planckien à une observation macroscopique, a déclaré Brandenberger.

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À la lumière de ce problème, certains physiciens se demandent si nous devrions adopter une approche complètement différente de l’univers primitif.

Hors des marais

La cosmologie des gaz à cordes est une approche possible pour modéliser l’univers primitif sous la théorie des cordes, qui est elle-même un candidat prometteur pour une théorie unifiée de la physique qui amène la physique classique et quantique sous le même toit. Dans le modèle des gaz à cordes, l’univers ne subit jamais de période d’inflation rapide. Au lieu de cela, la période d’inflation est beaucoup plus douce et plus lente, et les fluctuations inférieures à la longueur de Planck ne sont jamais «exposées» à l’univers macroscopique. La physique au-dessous de l’échelle de Planck ne grandit jamais pour devenir observable, et donc le TCC est satisfait. Cependant, les modèles de gaz à cordes ne sont pas encore suffisamment détaillés pour être testés par rapport aux preuves observables de l’inflation dans l’univers.

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Le TCC est lié à un autre point de friction entre l’inflation et les théories de la physique unifiée comme la théorie des cordes. La théorie des cordes prédit un nombre énorme d’univers potentiels, dont notre cosmos particulier (avec son ensemble de forces et de particules et le reste de la physique) ne représente qu’un seul. Il semble que la plupart (sinon tous) des modèles d’inflation sont incompatibles avec la théorie des cordes à un niveau de base. Au lieu de cela, ils appartiennent à ce que les théoriciens des cordes ont appelé le «marécage» – la région des univers possibles qui ne sont tout simplement pas réalistes physiquement.

Le TCC pourrait être une expression du rejet de l’inflation dans les marais.

Il est peut-être encore possible de construire un modèle d’inflation traditionnel qui satisfasse le TCC (et vit en dehors des marécages de la théorie des cordes); mais si le TCC est vrai, cela limite considérablement les types de modèles que les physiciens peuvent construire. Si l’inflation parvient à se poursuivre pendant une période de temps suffisamment courte (imaginez faire exploser un ballon lentement et s’arrêter avant qu’il éclate), tout en plantant les graines qui deviendront un jour des structures massives, la théorie de l’inflation pourrait fonctionner.

À l’heure actuelle, le TCC n’est pas prouvé – ce n’est qu’une conjecture. Cela s’aligne avec d’autres lignes de pensée de la théorie des cordes, mais la théorie des cordes n’est elle-même pas prouvée (en fait, la théorie n’est pas complète et n’est même pas encore capable de faire des prédictions). Mais encore, des idées comme celle-ci sont utiles, car les physiciens ne comprennent fondamentalement pas l’inflation, et tout ce qui peut aider à aiguiser cette réflexion est le bienvenu.

Publié à l’origine sur 45Secondes.fr.

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