Les philosophes débattent de la nature du « rien » depuis des milliers d’années, mais que dit la science moderne à ce sujet ? Dans une interview accordée à The Conversation, Martin Rees, astronome royal et professeur émérite de cosmologie et d’astrophysique à l’université de Cambridge, explique que lorsque les physiciens parlent de rien, ils veulent dire espace vide (vacuum). Cela peut sembler simple, mais les expériences montrent que l’espace vide n’est pas vraiment vide – il y a une énergie mystérieuse latente qui peut nous dire quelque chose sur le destin de l’univers.

Rees a été interviewé pour le podcast Anthill de The Conversation sur le Rien. Cette Q&A est basée sur une transcription éditée de cette interview.

Q : L’espace vide est-il vraiment la même chose que rien ?

A : L’espace vide semble n’être rien pour nous. Par analogie, l’eau peut sembler n’être rien pour un poisson – c’est ce qui reste quand on enlève toutes les autres choses qui flottent dans la mer. De même, l’espace vide est conjecturé comme étant assez compliqué.

Nous savons que l’univers est très vide. La densité moyenne de l’espace est d’environ un atome pour dix mètres cubes – bien plus raréfié que n’importe quel vide que nous pouvons atteindre sur Terre. Mais même si vous enlevez toute la matière, l’espace a une sorte d’élasticité qui (comme cela a été récemment confirmé) permet aux ondes gravitationnelles – des ondulations dans l’espace lui-même – de se propager à travers lui. De plus, nous avons appris qu’il existe un type d’énergie exotique dans l’espace vide lui-même.

Q : Nous avons d’abord appris l’existence de cette énergie du vide au 20e siècle avec l’essor de la mécanique quantique, qui régit le monde minuscule des atomes et des particules. Elle suggère que l’espace vide est constitué d’un champ d’énergie de fond fluctuant – donnant lieu à des ondes et des particules virtuelles qui apparaissent et disparaissent. Elles peuvent même créer une force minuscule. Mais qu’en est-il de l’espace vide à grande échelle ?

A : Le fait que l’espace vide exerce une force à grande échelle a été découvert il y a 20 ans. Les astronomes ont constaté que l’expansion de l’univers s’accélérait. Cela a été une surprise. L’expansion était connue depuis plus de 50 ans, mais tout le monde s’attendait à ce qu’elle ralentisse en raison de la force gravitationnelle que les galaxies et autres structures exercent les unes sur les autres. Ce fut donc une grande surprise de constater que cette décélération due à la gravité était submergée par quelque chose qui « poussait » l’expansion. Il existe, en quelque sorte, une énergie latente dans l’espace vide lui-même, qui provoque une sorte de répulsion qui l’emporte sur l’attraction de la gravité à ces grandes échelles. Ce phénomène, appelé énergie sombre, est la manifestation la plus spectaculaire du fait que l’espace vide n’est pas sans caractéristiques et sans intérêt. En fait, il détermine le destin à long terme de notre univers.

Q : Mais y a-t-il une limite à ce que nous pouvons savoir ? A une échelle d’un trillion de trillions de fois plus petite qu’un atome, les fluctuations quantiques de l’espace-temps peuvent donner naissance non seulement à des particules virtuelles, mais aussi à des trous noirs virtuels. Il s’agit d’une gamme que nous ne pouvons pas observer, et où nous devons combiner les théories de la gravité avec la mécanique quantique pour sonder ce qui se passe théoriquement – ce qui est notoirement difficile à faire.

A : Il existe plusieurs théories qui visent à comprendre cela, la plus célèbre étant la théorie des cordes. Mais aucune de ces théories ne s’est encore engagée dans le monde réel – elles restent donc des spéculations non testées. Mais je pense que presque tout le monde accepte que l’espace lui-même pourrait avoir une structure compliquée à cette toute petite échelle où les effets gravitationnels et quantiques se rencontrent.

Nous savons que notre univers a trois dimensions dans l’espace : vous pouvez aller à gauche et à droite, en arrière et en avant, en haut et en bas. Le temps est comme une quatrième dimension. Mais on soupçonne fortement que si l’on agrandissait un petit point dans l’espace de façon à sonder cette échelle minuscule, minuscule… on s’apercevrait que c’est un origami étroitement enroulé dans environ cinq dimensions supplémentaires que nous ne voyons pas. C’est un peu comme lorsque vous regardez un tuyau d’arrosage de loin, vous pensez que ce n’est qu’une ligne. Mais quand vous regardez de plus près, vous voyez qu’une dimension était en fait trois dimensions. La théorie des cordes implique des mathématiques complexes, tout comme les théories rivales. Mais c’est le genre de théorie dont nous aurons besoin si nous voulons comprendre au niveau le plus profond ce qui se rapproche le plus du néant que nous pouvons imaginer : à savoir l’espace vide.

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Q : Dans le cadre de notre compréhension actuelle, comment pouvons-nous expliquer que notre univers entier se soit étendu à partir de rien ? Pourrait-il vraiment partir d’un peu d’énergie fluctuante du vide ?

A : Une transition ou une fluctuation mystérieuse pourrait avoir soudainement déclenché l’expansion d’une partie de l’espace – c’est du moins ce que pensent certains théoriciens. Les fluctuations intrinsèques à la théorie quantique seraient capables d’ébranler l’univers entier s’il était comprimé à une échelle suffisamment minuscule. Cela se produirait à un moment d’environ 10-44 secondes – ce que l’on appelle le temps de Planck. Il s’agit d’une échelle où le temps et l’espace sont intimement liés, de sorte que l’idée d’une horloge faisant tic-tac n’a aucun sens. Nous pouvons extrapoler notre univers avec une grande confiance jusqu’à la nanoseconde, et avec une certaine confiance jusqu’à une échelle beaucoup plus proche du temps de Planck. Mais par la suite, les jeux sont faits car… la physique à cette échelle doit être supplantée par une théorie grandiose et plus compliquée.

Q : S’il est possible qu’une fluctuation d’une partie aléatoire de l’espace vide ait donné naissance à l’univers, pourquoi exactement la même chose ne pourrait-elle pas se produire dans une autre partie de l’espace vide – donnant naissance à des univers parallèles dans un multivers infini ?

A : L’idée que notre Big Bang n’est pas le seul et que ce que nous voyons avec nos télescopes n’est qu’une infime partie de la réalité physique est populaire chez de nombreux physiciens. Et il existe de nombreuses versions d’un univers cyclique. Ce n’est qu’il y a 50 ans que des preuves solides d’un Big Bang sont apparues pour la première fois. Mais depuis lors, on se demande s’il ne s’agit que d’un épisode d’un univers cyclique. Et le concept selon lequel la réalité physique est bien plus vaste que le volume d’espace et de temps que nous pouvons sonder – même avec les télescopes les plus puissants – suscite de plus en plus d’intérêt.

Nous n’avons donc aucune idée s’il y a eu un seul Big Bang ou plusieurs – il existe des scénarios qui prédisent de nombreux Big Bangs et d’autres qui en prédisent un seul. Je pense que nous devrions tous les explorer.

Q : Comment l’univers va-t-il se terminer ?

A : La prévision à long terme la plus simple prévoit que l’univers continue de s’étendre à un rythme accéléré, devient de plus en plus vide et de plus en plus froid. Les particules qu’il contient peuvent se désintégrer, ce qui fait que la dilution se poursuit indéfiniment. Nous nous retrouverions, en un sens, avec un énorme volume d’espace, mais il serait encore plus vide que l’espace actuel. C’est un scénario, mais il y en a d’autres qui impliquent que la « direction » de l’énergie noire s’inverse de la répulsion à l’attraction, de sorte qu’il y aura un effondrement vers un soi-disant « Big Crunch », lorsque la densité se dirige à nouveau vers l’infini.

Il y a aussi une idée, due au physicien Roger Penrose, selon laquelle l’univers continue de s’étendre, devenant de plus en plus dilué, mais d’une manière ou d’une autre – lorsqu’il n’y a rien dedans à part les photons, les particules de lumière – les choses peuvent être « remises à l’échelle », de sorte qu’après cette énorme dilution, l’espace devient en quelque sorte le générateur d’un nouveau Big Bang. C’est donc une version plutôt exotique de l’ancien univers cyclique – mais s’il vous plaît, ne me demandez pas d’expliquer les idées de Penrose.

Q : A quel point êtes-vous confiant dans le fait que la science puisse finalement craquer ce qu’est le rien ? Même si nous pouvions prouver que notre univers a commencé à partir d’une étrange fluctuation d’un champ du vide, ne devons-nous pas nous demander d’où vient ce champ du vide ?

A : Les sciences essaient de répondre aux questions, mais chaque fois que nous y répondons, de nouvelles questions apparaissent – nous n’aurons jamais une image complète. Lorsque j’ai commencé mes recherches à la fin des années 1960, la question de savoir s’il y avait eu un Big Bang était controversée. Aujourd’hui, ce n’est plus le cas et nous pouvons dire avec une précision d’environ 2 % comment était l’univers depuis les 13,8 milliards d’années actuelles jusqu’à la nanoseconde. C’est un progrès énorme. Il n’est donc pas absurdement optimiste de croire que dans les 50 prochaines années, les questions difficiles sur ce qui se passe aux ères quantique ou « inflationniste » seront comprises.

Mais bien sûr, cela soulève une autre question : quelle part de la science va être accessible au cerveau humain ? Il pourrait s’avérer, par exemple, que les mathématiques de la théorie des cordes sont en quelque sorte une description correcte de la réalité, mais que nous ne serons jamais en mesure de la comprendre suffisamment bien pour la vérifier par rapport à toute observation authentique. Nous devrons alors peut-être attendre l’émergence d’une sorte de post-humains pour en avoir une compréhension plus complète.

Mais tous ceux qui réfléchissent à ces mystères devraient réaliser que l’espace vide du physicien – le vide – n’est pas le même que le « rien » du philosophe.