Gravitation. Dépasser Einstein, du Big Bang aux trous noirs

Selon la conception des astrophysiciens, l'univers est le résultat d'une longue évolution. Depuis son origine - le big-bang -, dans des conditions extrêmes de température, de densité, de pression, il est le siège d'une expansion qui entraîne les galaxies, les quasars et tous les astres du cosmos. Les cosmologistes s'interrogent sur les causes et les caractéristiques de cette expansion, mais aussi sur la manière dont sont apparues les galaxies, les étoiles, les planètes et finalement toute la matière qui nous environne. Ils ont compris que l'origine de toutes les structures, aussi bien les immenses galaxies que les atomes dont nous sommes constitués, devait être recherchée dans les premières phases de l'évolution de l'univers. Ils en sont arrivés, pour comprendre la physique surprenante de ces premiers instants, à incorporer les résultats les plus récents de la physique des particules à la cosmologie, prédisant des épisodes stupéfiants dans l'histoire de l'univers, dont la richesse conceptuelle n'est pas encore épuisée. L'ouvrage de Marc Lachièze-Rey présente le modèle de big-bang, c'est-à-dire l'évolution et les caractéristiques de l'univers, tel que les cosmologistes le conçoivent aujourd'hui, y compris les plus récentes améliorations amenées par la physique des particules.Marc Lachièze-Rey, chargé de recherches au CNRS, travaille au Centre d'études nucléaires de Saclay. Astronome et astrophysicien, il s'intéresse à la cosmologie, et plus particulièrement à la répartition et à la formation des galaxies.

Quel est l'âge de l'Univers ? Une question dont on croit connaître la réponse : 13, 7 milliards d'années. A tort... car s'arrêter là serait se priver de l'essentiel. D'abord, ce livre raconte comment on est arrivé à ce chiffre précis, et l'histoire de cette quête, où l'on retrouve Einstein, Hubble, Alexander Friedmann ou Georges Lemaître, se révèle passionnante. Ensuite, parce que l'âge de l'Univers s'exprime en temps cosmique, or, celui-ci ne s'écoule pas comme le temps usuel. Ni sa définition, ni son estimation ne va de soi. Une des difficulté est d'estimer l'âge d'un système composé de plusieurs éléments. Il en va de même que pour le corps, par exemple humain. Nombre de nos cellules se renouvellent périodiquement et leurs âges sont bien inférieurs à notre âge biologique. Et nos cellules sont elles-mêmes constituées d'atomes qui, pour la plupart, ont été fabriqués par des réactions nucléaires au coeur d'étoiles anciennes, il y a des milliards d'années ! En réalité - et c'est rarement dit - le chiffre de 13, 7 milliards n'est qu'une estimation obtenue à partir de quelques hypothèses. D'autres hypothèses donnent des âges différents à notre Univers... Enfin, et surtout, parler de l'âge de l'Univers c'est repenser le temps, comme le rappelle Etienne Klein dans sa postface. Bref, en apparence anodine, l'âge de l'Univers est une question vertigineuse. Alors attachez votre ceinture cosmique.

Comment décrire l'espace et le temps ? L'infiniment petit et l'infiniment grand ? Branes, supercordes, cosmologie quantique... où en sont les physiciens ? La physique d'aujourd'hui se fonde à la fois sur la physique quantique et sur la relativité générale. Or, véritables systèmes de pensée, ces deux théories suggèrent deux manières différentes de voir le monde. Et comme deux visions distinctes ne constituent pas une description unifiée, les physiciens ne sont pas satisfaits. D'autant plus que les trous noirs et l'Univers primordial leur résistent encore. Si notre physique ne convient pas, il faut donc en construire une nouvelle. Et la voie pour le faire est, essentiellement, géométrique. Des hypothèses audacieuses sous-tendent les nouvelles théories : supersymétrie, cordes et supercordes, gravité et cosmologie quantiques, géométrie non commutative, qui renouvellent les conceptions mêmes de l'espace, du temps, de la matière et de l'Univers.

Depuis l'Antiquité, cette entité mystérieuse a suscité interrogations et controverses, sans jamais jouir d'un consensus. Assimilé à l'espace, il a servi de référence pour repérer positions et mouvements. Baptisé éther, il a ensuite joué le rôle de transmetteur de la lumière, de la gravitation ou de l'électromagnétisme... Aujourd'hui, la physique quantique le considère comme un nouvel état de la matière, permettant de rendre compte de l'accélération de l'expansion de l'Univers. La dialectique du vide est féconde : c'est bien souvent l'analyse des paradoxes qu'il suscite qui contribue aux progrès de la physique. Cela reste-t-il vrai pour la physique contemporaine ?