Le Big Bang est-il le lointain futur d’un univers mort ?

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Nous avons laissé une question ouverte : si aucune loi ne porte la flèche du temps, elle doit venir de l’état dans lequel l’univers a commencé. Roger Penrose a chiffré cet état. Le nombre qu’il obtient est si absurde qu’il en a tiré une nouvelle loi de la nature — puis un univers avant le nôtre. Puis, chose rare pour une spéculation de cette ampleur, il a dit où regarder dans le ciel. On a regardé.

Un nombre qu’on ne peut pas écrire

Le raisonnement de Penrose, exposé dans The Emperor’s New Mind en 1989, tient en trois temps et il est d’une brutalité admirable.

Premier temps : si la flèche du temps vient d’une entropie qui croît, alors l’univers a commencé avec une entropie basse. Deuxième temps : à quel point basse ? Pour le savoir, il faut un point de comparaison — l’entropie maximale que cette matière aurait pu avoir. Penrose la calcule en imaginant que tous les baryons de l’univers, environ 10⁸⁰ protons et neutrons, se soient effondrés en un unique trou noir, et applique la formule de Bekenstein-Hawking. Il obtient, en unités naturelles, une entropie de 10¹²³.

Troisième temps, et c’est le coup de grâce. L’entropie étant le logarithme d’un volume dans l’espace des états, ce 10¹²³ correspond à un volume de 10¹⁰¹²³. Or l’univers n’a pas commencé n’importe où dans ce volume : il a commencé dans la région infime compatible avec ce que nous observons. Le rapport ? Une part sur 10¹⁰¹²³. Penrose l’illustre par un dessin resté célèbre : un Créateur muni d’une épingle, cherchant à piquer un point dans un espace immense. « On ne pourrait même pas écrire ce nombre en entier », note-t-il — ce serait un 1 suivi de 10¹²³ zéros, et il n’y a pas assez de particules dans l’univers pour en inscrire un sur chacune. Établi

Nommer n’est pas expliquer

Que faire d’un tel chiffre ? Penrose y lit une contrainte géométrique. Notre univers n’est pas né dans un état ordonné par miracle : il est né lisse. La courbure de Weyl — la part du champ gravitationnel qui décrit les déformations de marée, les rides de l’espace-temps — était quasi nulle au Big Bang. Alors qu’aux singularités finales, dans les trous noirs, elle diverge sauvagement.

Penrose en fait une proposition, qu’il baptise l’hypothèse de courbure de Weyl : les singularités initiales ont une courbure de Weyl nulle, les singularités finales non. Une loi de la nature explicitement asymétrique dans le temps — plantée là où les autres refusent de l’être. Débattu

Le problème saute aux yeux, et Penrose est le premier à le voir : nommer la spécialité n’est pas l’expliquer. On a remplacé « l’univers a commencé dans un état invraisemblable » par « les débuts sont lisses, c’est une loi ». Le mystère n’a pas bougé d’un pouce ; il a changé d’étiquette. Il fallait aller plus loin.

Les éons

Vingt ans plus tard, dans Cycles of Time, Penrose est allé beaucoup plus loin.

Son point de départ est une remarque déroutante sur la fin du monde. Dans un futur très lointain — après l’évaporation du dernier trou noir, après la désintégration de la dernière particule massive — il ne resterait dans l’univers que des particules sans masse : des photons, essentiellement. Or un photon n’a pas d’horloge : il ne vieillit pas, et il ne fournit aucune échelle de longueur. Dans un univers qui ne contient que ça, la notion même de « taille » perd son sens. Il n’y a plus personne pour mesurer, ni rien avec quoi mesurer.

Et si la taille n’a plus de sens, dit Penrose, alors rien ne distingue plus cet univers froid, vide et infiniment dilaté… d’un univers infiniment dense et brûlant. Les deux ont la même géométrie une fois qu’on renonce aux distances. Le futur lointain d’un univers est le Big Bang du suivant. L’histoire cosmique devient une succession d’éons, chacun naissant de la mort du précédent, sans début ni fin. C’est la cosmologie cyclique conforme. Spéculatif

Et l’entropie ? Le tour de passe-passe est là : l’évaporation des trous noirs, dans ce tableau, détruit l’information qu’ils avaient engloutie — et remet le compteur d’entropie à zéro pour l’éon suivant. Le nombre absurde n’est plus une coïncidence initiale : c’est le résultat d’un processus.

Le ciel a répondu

Ce qui suit est ce qui rend cette histoire précieuse, et c’est rare.

Une spéculation de cette ampleur pouvait rester une belle idée invérifiable. Penrose a refusé. Avec l’astrophysicien Vahe Gurzadyan, il a fait une prédiction concrète : si des trous noirs supermassifs se sont heurtés dans l’éon précédent, leurs ondes gravitationnelles ont dû laisser, dans notre fond diffus cosmologique, des cercles concentriques de variance anormalement basse. Une signature. Observable. En 2010, les deux annoncent les avoir trouvés dans les données de WMAP et de BOOMERanG.

La réponse a été immédiate, et elle est venue de trois équipes indépendantes qui ne se connaissaient pas : Ingunn Wehus et Hans Kristian Eriksen ; Adam Moss, Douglas Scott et James Zibin ; Amir Hajian. Toutes trois ont refait la recherche. Toutes trois ont trouvé la même chose : les cercles sont bien là — et ils sont là aussi dans des simulations purement aléatoires. Un ciel gaussien, sans le moindre éon antérieur, produit exactement autant de cercles. La signature n’en était pas une : l’œil humain, et les algorithmes, trouvent des cercles dans le bruit. Spéculatif

Gurzadyan et Penrose ont répliqué, arguant que ce n’étaient pas les cercles isolés qui comptaient mais leurs familles concentriques. Le débat n’est pas formellement clos. Mais la prédiction, sous la forme où elle avait été lancée, n’a pas survécu à sa confrontation.

Ce que ça coûte, ce que ça rapporte

Il serait facile de conclure par un haussement d’épaules : encore une théorie exotique qui s’effondre. Ce serait passer à côté de l’essentiel.

Regardez ce qui vient de se passer. Un des plus grands géomètres vivants part d’un fait mesuré — l’univers a commencé dans un état invraisemblable. Il en tire une loi, puis un modèle cosmologique complet. Et au lieu de le protéger, il l’expose : il dit exactement où regarder, et quoi devrait s’y trouver. Trois équipes regardent. Le ciel dit non.

C’est le meilleur jour de la physique, pas le pire. Une idée qui accepte d’être tuée vaut mille idées qu’on ne peut pas atteindre. La cosmologie cyclique conforme reste rouge sur nos pastilles — construction cohérente, publiée, non corroborée — et elle a fait plus pour la discipline que bien des théories prudentes qui n’ont jamais rien risqué.

Quant à la question laissée ouverte au précédent article — d’où vient la flèche, si ce n’est des lois ? — elle reste ouverte. Penrose a chiffré le problème avec une précision que personne n’avait osée, il a nommé la contrainte, il a proposé un mécanisme, il a accepté le verdict. Le mystère, lui, n’a pas bougé. Il est simplement mieux éclairé.

Et sur ce qu’un théorème de 2003 interdit — ou n’interdit pas — aux passés éternels, voir l’article consacré au théorème BGV.

Il faut mesurer ce que Penrose a mis sur la table. Pas une hypothèse de plus : une hypothèse falsifiable sur ce qui aurait précédé le Big Bang — c’est-à-dire sur ce dont, par construction, nous ne pouvons rien savoir. Que le ciel ait pu répondre non à une question pareille est en soi un événement. Nous avons interrogé l’avant-monde, et il nous a répondu. La réponse était décevante. Elle n’en était pas moins une réponse.