Essais de cosmologie : L'invention du Big Bang

La théorie du Big Bang, c'est l'hypothèse de l'expansion de l'univers et de son origine singulière, c'est-à-dire le fait qu'il n'ait pas existé de tout temps. Ces deux idées se trouvent la première fois dans les travaux du Russe Friedmann et du Belge Lemaître.

C'est qu'Einstein optait préférablement, puisque aucune observation ne venait le contredire et qu'au contraire il postulait que les étoiles lointaines sont fixes, pour un univers statique, une sphère, comme le présente son livre "la théorie de la relativité restreinte et générale". Le problème est qu'il reconnaissait que ses équations n'étaient pas compatibles avec un univers fini, lequel suppose un espace nul à ses limites, mais aussi, en son centre, c'est-à-dire nul partout. Il avait alors changé ses formules initiales en introduisant la constante cosmologique λ et en lui donnant une certaine valeur. Si cette valeur est nulle, on revient à la théorie de la relativité restreinte et à l'espace-temps de Minkowski.

En 1923, le Russe Friedmann reprend cette idée et fixe différentes valeurs à λ. Il en déduit que l'univers pourrait tout aussi bien être en expansion ou osciller en cycles d'expansion-rétractation (univers phénix). Il note aussi qu'à λ=0, on peut calculer son âge et approxime l'âge qu'on lui donne aujourd'hui. Cela ne plaît pas à Einstein qui nie ces résultats et fait une erreur de calcul. Un an plus tard, il reconnaît son erreur, et admet la possibilité théoriques des résultats de Friedmann, qui meurt de pneumonie après avoir battu le record d'altitude en ballon à plus de 7000 mètres. Quelle vie.

En Belgique, Lemaître s'oriente vers la prêtrise, les sciences humaines et, quand il a le temps, la physique. Il ne parle pas allemand et n'a pas lu Friedmann (pense-t-on). En 1927, il publie un article où il tient compte de l'observation faite selon laquelle les raies spectrales des étoiles dérivent toutes vers le rouge, ce qui signifie qu'elles s'éloignent. Il retrouve les résultats de Friedmann, mais aussi qu'à l'origine, le rayon de courbure de l'univers qui ne fait qu'augmenter devait donc être très petit. Et il pose l'idée d'un atome-origine, puis d'un quantum unitaire, qui se serait étendu comme un feu d'artifice. Il affirme que l'univers est en expansion et calcul deux ans avant Hubble la constante qui porte le nom de Hubble, quelle injustice, celle qui lie la vitesse de fuite des objets célestes avec leur distance. Mais personne ne le lit et Einstein soupçonne que cette "création" de l'univers ne soit influencée par les croyances religieuses du jeune prêtre.

En 1930, pourtant, après que les pontes ont repris l'idée et s'y font lentement, Lemaître, lui, en est déjà à creuser cette idée de création de l'univers et utilise la physique quantique, celle de l'infiniment petit, puisqu'à l'origine, on l'a compris, l'univers n'était pas bien grand. C'est donc la radioactivité qui lui sert de modèle. A l'origine, l'entropie devait donc être nulle, puisque la matière est organisée. Ce n'est qu'en se désorganisant que l'entropie augmente, pointant vers l'infini ou la désorganisation totale (une sorte d'anarchie qui plairait peut-être à Proudhon, on ne sait pas). La positivité de l'entropie, par la décomposition de la matière, fait naître l'espace et, si l'on peut dire, concomitamment, le temps.

Mais décidément, Einstein et son acolyte, de Sitter, sont fatigués de ces extravagances et règlent la question en une page en 1932, en affirmant des banalités qui reculent la science de 10 ans et figent l'idée d'un univers statique pour les trente années qui viennent. Ne contredit pas Einstein qui veut.

En 1933, Lemaître corrige Schwarzbild qui s'était occupé des trous noirs et ruine l'idée de l'univers-phénix qui recommence sans arrêt. Tout nouveau départ est, au mieux, la destruction totale de l'univers précédent : pas de renaissance.

Lemaître devient mondialement célèbre. La même année, il rencontre Einstein en Californie qui lui accorde un peu plus de temps que d'habitude, admet l'idée de l'atome primitif, mais, globalement, bloque quand même sur ces sujets de création du monde. Lemaître aide l'exilé politique juif Allemand et ce dernier le soutient pour l'obtention du prix scientifique Franqui.

Entre 1945 et 1990 pour autant, la constante cosmologique qui est nécessaire à la thèse de l'expansion de l'univers, sous l'influence des travaux d'Einstein, est mise de côté. Quand Lemaître fait une conférence en Californie en 1960, le Britannique Fred Hoyle, partisan de la théorie de l'état stationnaire (l'univers est comme il a toujours été et sera toujours), accueille avec ironie son homologue belge, ce grand enfant qui croit encore au grand boum : "this is the Big Bang man". Et voilà. La théorie est baptisée.

Un élève de Friedmann, Gamow, suppose alors que le quantum initial devait être plutôt chaud et postule qu'il en resterait des vestiges observables. En 1965, deux physiciens qui obtiennent en 78 le prix Nobel pour cette observation, mesurent un rayonnement de corps noir de température 3 Kelvin, là où Gamow en avait supputé 5. Informé à l'hôpital où il finit ses jours, Lemaître dit : "je suis content maintenant, au moins, on en a la preuve".

J'ai interrompu ma lecture à la fin de cette présentation de Jean-Pierre Luminet qui a nourri ma curiosité - les articles de Friedmann et Lemaître entraient ensuite un peu trop dans le détail et, pour ces sujets macroscopiques, point n'en est besoin.