Questions aux experts

De façon générale, la science a beaucoup de mal à répondre à des questions du genre "pourquoi": elle se contente répondre à des questions du genre "comment" en essayant de trouver les lois décrivant au mieux les phénomènes existants.
Lorsque Einstein a trouvé sa théorie de la Relativité générale, il a tout d'abord pensé qu'elle pouvait décrire un Univers stable, statique, éternel. En fait, d'autres scientifiques ont montré ensuite qu'un tel Univers ne serait pas stable (comme un crayon posé sur sa pointe!). L'Univers ne peut être qu'en mouvement : soit il se dilate, soit il se contracte.
Les observations montrent en effet que toutes les galaxies s'éloignent de nous, ce qui s'interprète comme un mouvement d'expansion général de l'Univers qui "gonfle" comme un soufflé au four (en revanche, contrairement à un gâteau, il n'a pas de surface "frontière". Je ne rentre pas dans ces détails mais je peux donner quelques explications complémentaires si besoin est).
L'Univers gonflant perpétuellement, on est conduit en remontant le temps à imaginer un moment dans le passé (il y a environ quinze milliards d'années) où toute la matière était réunie en un point de dimension nulle : c'est le big bang, qui peut donc être décrit comme une gigantesque "explosion". On ne sait d'ailleurs pas si ce mouvement d'expansion va continuer indéfiniment ou si l'Univers va finir pas se recontracter pour finir dans un effondrement inverse du Big Bang ou "Big Crunch"). Cela dépend de la densité de matière qu'il contient, qui est très difficile à déterminer.
La question naturelle qui vient alors "et avant le big bang?" est très délicate. Il faut savoir que la Théorie de la Relativité qui décrit ces phénomènes n'est pas parfaitement exacte. Sur des arguments très généraux, on pense qu'elle devient fausse justement lorsque l'Univers était de très petite taille (de l'ordre de 10 puissance (-35), beaucoup plus petite que tout ce qu'on peut atteindre avec les expériences actuelles). Il faudrait alors une théorie mélangeant la Relativité avec la Mécanique quantique, qui décrit bien les phénomènes microscopiques. Malheureusement, cette théorie ou "gravitation quantique" n'a pas encore été trouvée, en tout cas pas de manière satisfaisante. C'est un des sujets les plus difficiles et un des buts fondamentaux de la Physique moderne. La plupart des physiciens pensent que dans cette théorie, la notion de temps elle-même deviendrait beaucoup plus floue et mal définie. Il se pourrait que le temps commence sans qu'il n'y ait rien "avant", comme la température commence à partir du zéro absolu (-273,15 °C) et qu'il n'y a rien "en-dessous". Une autre comparaison possible est que si on va toujours vers le sud, on finit par arriver au pôle Sud où il n'y a plus rien "au sud". Le big bang pourrait être le "pôle Sud" du temps...

Pourquoi y a-t-il eu cette explosion (le Big Bang ?) :
La bonne réponse est sans doute qu'on ne sait pas. Mais on peut expliquer pourquoi les astronomes pensent qu'il y a eu un moment dans le passé, disons il y a environ 15 milliards d'années, où l'Univers était comprimé dans une région très petite, beaucoup plus petite qu'un atome ; l'Univers était donc très dense, et également très chaud. Il y a plusieurs raisons de penser cela, la première étant l'expansion de l'Univers, ce mouvement que l'on observe qui fait que toutes les galaxies s'éloignent les unes des autres. Quand on remonte en arrière dans le temps (on passe le film à l'envers), cela montre que dans le passé, l'Univers a dû être beaucoup plus petit que maintenant. (On peut utiliser les analogies bien connues du gâteau aux raisins qui gonfle dans un four, et où chaque raisin voit les autres s'éloigner; ou bien du ruban élastique sur lequel son cousus des boutons, et que l'on étire). (Les autres raisons sont plus compliquées à expliquer.)
En "remontant le film" on pourrait imaginer arriver jusqu'au moment où l'Univers n'est qu'un point. En fait, ce n'est pas possible de remonter ainsi dans le temps jusqu'au "bout" (?), parce qu'avant un certain moment dans l'histoire de l'Univers (le temps de Planck), on ne sait pas décrire l'Univers: les physiciens ne disposent tout simplement pas des équations qui leur permettraient de décrire une matière aussi inhabituelle (chaude, dense, etc.). En fait, c'est même pire que cela: ils ne sont même pas sûrs que les notions de temps et d'espace aient encore un sens.

Ce qui nous amène à la deuxième question : qu'y avait-il avant ? On ne peut pas y répondre, car on ne sait pas ce que veut dire "avant" le Big Bang, parce qu'il est très possible que le temps lui-même, et l'espace, soient nés en même temps que l'Univers. On pourrait répondre qu'il n'y avait rien, mais ce rien est pire que le vide le plus absolu auquel nous puissions penser: quand on pense "vide", on pense habituellement "espace vide".... Et il y a peu de chances que l'on sache répondre à cette (excellente) question d'ici un bon moment.

Pourquoi il y a eu un Big Bang : on n'en sait rien. Certains scientifiques parlent de fluctuations de l'énergie du vide, mais ça n'aide pas beaucoup à répondre aux questions. En gros, ça veut dire que l'Univers est né de rien...ce qui laisse pas mal de marge de manœuvre. Deux choses à noter à propos du Big Bang: ce "Grand Boum" est le nom qu'a été donné par dérision à cette théorie par un de ses adversaires (Fred Hoyle), mais il est resté. Par ailleurs, il faut faire attention quand on parle d'explosion: c'est une image commode mais qui ne correspond pas à la réalité (pour ce qu'on en sait). Quand on pense à une explosion, on pense à quelque chose qui éclate dans un espace préexistant. Or ici l'espace naît en même temps que la matière. Dans le même ordre d'idées, il ne faut pas chercher dans quel direction de l'espace s'est produit le Big Bang : par définition, il s'est produit partout.
Mon explication est sans doute décevante, mais je crois qu'il ne faut pas rater l'occasion de signaler qu'il y a des choses que les scientifiques ne comprennent pas et des questions auxquelles ils ne savent pas répondre; en plus il s'agit ici de questions qui concernent également la philosophie.

Référence possible (plutôt niveau collège): L'Univers, Les Documents (Gallimard Jeunesse)