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Avant le Big Bang
La carrière d'Alan Guth était en suspens. En tant que postdoctorant ambitieux à l'Université Cornell en 1978, Guth cherchait un moyen de contribuer à son domaine de la physique des particules, mais ses recherches n'avaient suscité que peu d'intérêt. Il avait également besoin de trouver un emploi permanent pour subvenir aux besoins de sa femme, Susan, et de son bébé, Larry. Mais sa recherche d'emploi ne s'était pas bien passée non plus.
Cet automne-là, un trio de cosmologistes, ou théoriciens de l'univers primitif, avait remporté le prix Nobel de physique. Bientôt, des discussions sur l'origine de l'univers et en particulier sur la théorie du big bang - l'idée que l'univers a commencé par une explosion et que toute la matière s'est déplacée vers l'extérieur depuis lors - ont bourdonné dans les salles universitaires et parmi le grand public. Ainsi, lorsqu'un cosmologue est venu parler à Cornell, Guth '69, SM '69, PhD '72, est allé écouter ce qu'il avait à dire. Le conférencier, Robert Dicke, a évoqué, entre autres, un problème cosmologique complexe que les scientifiques n'avaient pas été en mesure de résoudre. Cela a certainement piqué mon intérêt, dit Guth. La conférence de Dicke semblait indiquer que la théorie traditionnelle du big-bang laissait de côté quelque chose d'important. Deux ans plus tard, au cours de ses recherches dans un tout autre domaine, Guth tomba sur la pièce manquante.
Il a présenté son explication en 1981, l'appelant l'inflation. Depuis lors, la théorie a attiré beaucoup d'attention. Au cours des années qui ont suivi sa parution, l'article original de Guth a été cité dans plus de 2 000 publications et, l'automne dernier, son auteur a reçu la prestigieuse médaille Dirac, que de nombreux observateurs considèrent comme un précurseur d'un prix Nobel. Aujourd'hui, les cosmologistes appellent l'idée de Guth un nouveau paradigme, l'une des rares théories de l'univers extrêmement influentes du dernier demi-siècle.
La route de la découverte
Le bureau de Guth est une forêt tropicale de papier en vrac. Bien qu'il soit spacieux pour les fouilles d'un professeur - deux à trois fois la taille de la plupart des bureaux universitaires - presque chaque centimètre carré du sol, des meubles et des rebords de fenêtre est jonché de livres, de bouts de papier, de chemises et de périodiques. Guth, dont les cheveux hirsutes glissent fréquemment sur les bords de ses lunettes, rassemble des idées à partir de ces diverses sources, rassemblant les morceaux qui suscitent son intérêt et piquent son imagination. Au fur et à mesure qu'il développe ses théories, il puise aussi dans ce qu'il sait. Guth a formé sa première idée de la théorie de l'inflation de cette manière : il a rassemblé une multitude de problèmes théoriques et en est venu à voir des liens entre eux.
La théorie de Guth est née tout à fait par hasard alors qu'il commençait à tisser des recherches auparavant sans lien avec son propre travail. Tout a commencé avec la conférence dans laquelle Dicke a décrit le puzzle cosmologique complexe lié à la quantité et à la distribution de la matière dans l'univers. Les cosmologistes ne savent pas exactement combien de matière se trouve dans l'univers. Quand ils parlent de la quantité qui existe, ils la comparent à une densité critique. Cette densité correspond à la quantité de matière nécessaire pour qu'un univers devienne plat.
Au moment de la conférence de Dicke, les observations scientifiques ont montré que l'univers était à moins de 10 pour cent de la densité critique, mais aujourd'hui les cosmologistes peuvent montrer que l'univers est en fait à moins de cinq pour cent de celle-ci. Pour que l'univers d'aujourd'hui se situe à moins de cinq pour cent de la densité critique, l'univers aurait dû être extrêmement proche de la critique une seconde après le big bang. Mais dans le contexte de la théorie du big bang, il n'y a aucune raison connue pour laquelle l'univers aurait commencé près de la densité critique, dit Guth. Cette énigme avait été surnommée le problème de planéité.
Guth décrit une autre façon de penser : la densité de l'univers ressemble beaucoup à un crayon en équilibre sur sa pointe. Lorsqu'il est parfaitement équilibré, il est à densité critique. Si aucune force ne le perturbe, il reste en équilibre. Mais s'il est poussé dans n'importe quelle direction, il tombera de son point d'équilibre. Dans un sens, l'univers est proche de ce point d'équilibre aujourd'hui. Mais les scientifiques ne savaient pas pourquoi le crayon aurait démarré directement. Ils tenaient pour acquis le fait que la gravité attire toujours, ce qui signifie que le crayon pencherait naturellement. Guth découvrira plus tard qu'il existe des circonstances plausibles dans lesquelles la gravité repousse.
Le problème de la planéité a poussé Guth à réfléchir à l'univers primitif, mais ce sont ses travaux sur les monopôles magnétiques - un domaine apparemment sans rapport qu'il a combiné plus tard avec la cosmologie - qui ont conduit à ce qui allait devenir sa théorie de l'inflation. Les monopoles sont un type théorique de particule élémentaire magnétique avec une seule charge. Henry Tye, un boursier postdoctoral à Cornell, s'était intéressé aux théories qui prédisaient l'existence de monopôles magnétiques, et il a approché Guth pour essayer de déterminer combien auraient été créés dans le big bang, alors que toutes les particules auraient été créées. . Au début, dit Guth, je pensais que c'était une façon folle de perdre son temps. Mais espérant toujours se faire un nom en physique, il a accepté d'aider.
La paire a finalement déduit que l'univers devrait nager dans des monopôles, mais ce n'est pas le cas. Ils ont également calculé le poids des monopôles et ont découvert qu'ils devaient être très lourds. Ces découvertes étaient exactement le genre de contribution que Guth recherchait, mais avant que lui et Tye ne puissent publier leurs résultats, un autre jeune chercheur les a devancés.
Ils ont donc commencé à chercher une autre innovation. Ils ont commencé à se demander comment ils pouvaient modifier les théories prédisant les monopôles magnétiques pour expliquer l'absence totale des monopôles. Ils ont estimé que la surfusion - abaisser la température en dessous du point de congélation sans induire de congélation - dans l'univers primitif aurait empêché la production des monopôles. Cette fois, ils ont immédiatement publié leurs conclusions.
Ensuite, Tye a suggéré qu'ils calculent l'effet que la surfusion aurait pu avoir sur le taux d'expansion de l'univers. Je suis rentré chez moi un soir et j'ai fait ce calcul, se souvient Guth. En fait, la surfusion affecte énormément le taux d'expansion de l'univers, dit-il, envoyant l'univers dans cette expansion exponentielle, ce que nous appelons maintenant l'inflation. Dans ce cas, a théorisé Guth, la gravité fonctionne à l'envers.
Guth a postulé que l'univers entier a commencé cent milliards de fois plus petit qu'un proton. L'univers était régi par les lois de l'interaction des particules, que les scientifiques ne comprennent toujours pas complètement. La force gravitationnelle répulsive de l'inflation a agrandi l'univers de la taille d'un point en seulement une infime fraction de fraction de seconde, faisant ressembler la croissance à une explosion. Et puis l'inflation a fusionné avec la théorie du big bang.
Ayant postulé un événement aussi important, dit Guth, cette même nuit, j'ai réalisé que cette expansion exponentielle résoudrait le problème de planéité. Et cela, bien sûr, m'a énormément excité.
Faire des vagues
Comment l'inflation résout-elle le problème de planéité ? L'idée de Guth était que le crayon métaphorique n'avait pas à commencer par son point ; au lieu de cela, il aurait pu commencer dans une position inclinée. Sa théorie suggère que la gravité a été inversée lors de la création de l'univers, de sorte que le crayon métaphorique serait tiré d'une position horizontale jusqu'à ce qu'il s'arrête sur sa pointe. En d'autres termes, il n'est pas nécessaire de supposer que l'univers primitif a commencé à une densité critique. En fait, cela aurait pu commencer loin de là car la gravité inverse ferait bouger l'univers vers densité critique.
L'inflation a résolu un autre problème. Le big bang aurait dû produire un univers avec des températures de rayonnement allant du chaud au froid. Mais les scientifiques ont découvert qu'à grande échelle, les températures sont homogènes dans tout l'univers. Ils ont eu du mal à expliquer cette homogénéité, étant donné qu'il n'y a pas eu assez de temps pour que le rayonnement s'égalise dans tout l'univers. L'inflation explique ce que l'on appelle le problème de l'horizon car l'homogénéité à grande échelle aurait été établie lorsque l'univers était encore plus petit qu'un proton, et elle s'est simplement étendue à ce que nous voyons aujourd'hui.
Image de John MacNeill.
Les solutions de Guth ont déclenché une révolution dans la cosmologie, mais son excitation initiale a rapidement été suivie d'anxiété. C'était un jeune chercheur sans nomination à la faculté et il n'était pas sûr de sa théorie. J'étais très nerveux à ce sujet parce que je sentais qu'il y avait trop de choses à ce sujet que je ne comprenais vraiment pas. J'avais peur qu'il explose d'une manière ou d'une autre. Malgré ses inquiétudes, au début des années 1980, Guth a expliqué l'inflation dans une série de conférences pour les cosmologistes à travers le pays.
Alan a fait preuve d'un courage inhabituel, en particulier pour quelqu'un sans titularisation ni même de poste dans le corps professoral, en mettant en avant l'inflation, explique Michael Turner, astrophysicien à l'Université de Chicago.
Ceux qui l'ont entendu ont été intrigués et des offres de postes de professeur ont rapidement émergé, mais pas du MIT. Néanmoins, Guth voulait retourner dans son alma mater, alors quand un biscuit de fortune lui a dit qu'une opportunité excitante se présentait juste devant vous si vous n'êtes pas trop timide, il a appelé le MIT et s'est proposé comme prospect. Plus tard cette année-là, il est venu à l'Institut en tant que professeur agrégé invité. Aujourd'hui, en tant que professeur de physique Victor F. Weisskopf, il travaille juste à côté de son fils Larry, un étudiant diplômé en mathématiques. Larry travaille dans le bureau que son père occupait en tant qu'étudiant diplômé, une coïncidence que Guth trouve extrêmement mignonne.
Certaines des inquiétudes de Guth concernant la validité de sa théorie n'étaient pas sans fondement. Avec l'aide d'Erick Weinberg de l'Université de Columbia, Guth a découvert que son idée était légèrement erronée. Son explication de la façon dont l'inflation a conduit au big bang n'a pas fonctionné. Mais parce que Guth croyait à l'importance de l'inflation, il a écrit un article qui décrivait à la fois sa théorie et ses problèmes.
Il a écrit un article disant, je pense que c'est une idée très importante, mais je peux montrer que cela ne fonctionne pas sous la forme que je propose », dit Turner. Il a invité d'autres scientifiques à réfléchir à l'inflation et à l'améliorer. Trois autres cosmologistes ont répondu à son défi. Le scientifique russe Andrei Linde et, indépendamment, les chercheurs américains Paul Steinhardt (Université de Princeton) et Andreas Albrecht (Université de Californie, Davis) ont proposé une modification qui a évité le défaut. Ils l'ont appelé la nouvelle inflation. Guth partage la médaille Dirac 2002 avec Linde et Steinhardt.
L'inflation est une idée très excitante qui a rassemblé des physiciens de toute une gamme de sous-disciplines et qui a motivé certaines des expériences scientifiques les plus passionnantes d'aujourd'hui, explique Steinhardt. Linde, maintenant à l'Université de Stanford, dit que l'idée de Guth a contribué à changer la cosmologie moderne. En fait, il a inspiré environ 30 théories des variations qui utilisent l'inflation comme base.
Peu de temps après l'introduction de la nouvelle inflation, Guth et six autres physiciens ont commencé à étudier l'origine des fluctuations de densité dans le nouveau modèle. Ils ont prédit un modèle de la façon dont ces fluctuations apparaîtraient dans la température de rayonnement de l'univers. Aujourd'hui, les satellites et les expériences basées sur des ballons montrent que le modèle qu'ils ont prédit est remarquablement précis. Turner, qui étudie ce rayonnement, se dit confiant qu'au cours de la prochaine décennie, ces mesures fourniront une preuve définitive de l'inflation.
Guth, qui est membre de la National Academy of Sciences, minimise son rôle en influençant la direction de tant de nouvelles recherches. L'inflation aurait été inventée, que je l'aie inventée ou non, dit-il. Il s'agissait en fait d'un simple regroupement d'idées déjà connues d'un physicien ou d'un autre. Il y avait juste beaucoup de chances impliquées dans ma venue avec l'idée.
Mais pour Turner et d'innombrables autres qui réfléchissent au cosmos, il est clair que les contributions de Guth ont fourni une clé à de nombreux progrès récents, à la fois expérimentaux et théoriques. L'idée d'Alan sur l'inflation a révolutionné la façon dont les cosmologistes pensent au début de l'univers, dit Turner. À mon avis, c'est l'idée la plus importante depuis le big bang lui-même.