Vous ne vous êtes peut-être jamais demandé pourquoi l’Univers n’a que trois dimensions spatiales, mais c’est une question qui a longtemps dérangé les physiciens. Une idée mêlant physique des particules et une théorie dites « des noeuds » pourrait non seulement l’expliquer, mais aussi fournir des informations sur ce qui a propulsé la croissance colossale de l’Univers quelques instants seulement après le Big Bang.
Le fait que les volumes statiques de l’espace n’aient que trois degrés de liberté – largeur, profondeur et longueur – semble tellement fondamental qu’il est difficile d’imaginer un Univers différent. Essayez d’imaginer un hypercube en 4D et vous ressentirez rapidement l’envie de vous taper la tête contre les murs. Mais alors, pourquoi en trois dimensions ? Une équipe internationale de physiciens propose ici une théorie originale acceptée pour publication dans le European Physical Journal.
Le fait de comprendre pourquoi notre univers a exactement trois (grandes) dimensions spatiales est l’un des puzzles les plus profonds de la cosmologie. La question n’a pourtant été qu’occasionnellement abordée dans la littérature scientifique. Pour tenter de résoudre ce casse-tête, les cinq co-auteurs – Arjun Berera, de l’Université d’Edimbourg, Roman Buniy de l’Université Chapman, Heinrich Pas de l’Université de Dortmund, Joao Rosa de l’Université d’Aveiro et Thomas Kephart de l’Université Vanderbilt – ont en quelque sorte pris un élément commun du modèle standard de la physique des particules et l’ont ensuite « mêlé » à une théorie « des noeuds » pour produire un nouveau scénario expliquant prédominance des trois dimensions d’une part, mais qui permet également d’expliquer cette incroyable source d’énergie naturelle qui permit la poussée de croissance inflationniste de notre univers peu de temps après le Big Bang.
L’élément commun ici emprunté est ce que les physiciens appellent le «tube de flux» constitué de quarks, les particules élémentaires qui composent les protons et les neutrons, maintenus ensemble par un autre type de particule élémentaire appelé gluon, qui « colle » les quarks ensemble. Les gluons relient les quarks positifs aux antiquarks négatifs assortis avec des brins d’énergie flexibles appelés « tubes de flux ». Lorsque les particules liées sont écartées, le tube de flux s’allonge, s’étire puis à un certain point, se brise. Se faisant, il libère alors assez d’énergie pour former une deuxième paire de quark-antiquark qui se sépare et se lie aux particules d’origine, produisant alors deux paires de particules liées. En d’autres termes, les chercheurs se sont appuyés sur ce phénomène, et l’ont proposé à un niveau d’énergie plus élevé.
Selon les théories actuelles, lorsque l’univers a été créé, il était initialement rempli d’une soupe primordiale surchauffée appelée « plasma quark-gluon ». Un mélange de quarks et de gluons, donc. Les chercheurs ont alors réalisé qu’une version à plus haute énergie du plasma de quarks et de gluons aurait été un environnement idéal pour la formation de tubes de flux dans l’univers très ancien. Le grand nombre de paires de quarks et d’antiquarks créés et anéantis spontanément aurait en effet créé des myriades de tubes de flux. Normalement, le tube de flux qui relie un quark et un antiquark disparaît lorsque les deux particules entrent en contact et s’annihilent, mais il y a des exceptions.
Si un tube prend la forme d’un noeud, par exemple, il devient stable et peut survivre. Ainsi le tube noué continuera d’exister, même après que les particules qu’il lie s’annihilent. Des tubes de flux stables sont également créés lorsque deux tubes de flux ou plus sont reliés entre eux. Les auteurs de cette étude envisagent donc que de cette façon, l’univers entier aurait pu se remplir d’un réseau serré de tubes de flux. En calculant ensuite l’énergie qu’un tel réseau pourrait contenir, ils ont été agréablement surpris de découvrir que celle-ci était suffisante pour propager une première période d’inflation cosmique (l’Univers serait passé de la taille d’un proton à la taille d’un pamplemousse en moins d’un billion de seconde).
« Notre réseau de tubes de flux fournit non seulement l’énergie nécessaire pour conduire l’inflation, mais il explique également pourquoi il s’est arrêté si brusquement« , note au passage Kephart, l’un ds co-auteurs de l’étude. « Au fur et à mesure que l’univers commençait à prendre de l’expansion, le réseau de tubes de flux commençait à se décomposer, éliminant ainsi la source d’énergie qui alimentait l’expansion« . L’univers se serait ensuite rempli de particules subatomiques et de radiations, permettant à l’évolution de l’univers de continuer sur les lignes précédemment déterminées.
La caractéristique la plus distinctive de leur théorie est qu’elle fournit une explication naturelle à un monde tridimensionnel. Il existe un certain nombre de théories de dimension supérieure, telles que la théorie des cordes, qui visualisent l’univers en neuf ou dix dimensions spatiales. Mais jusqu’à preuve du contraire, nous devons nous baser sur un univers à trois dimensions spatiales. La prochaine étape pour les physiciens sera de développer leur théorie jusqu’à ce que celle-ci puisse permettre des prédictions sur la nature de l’univers qui pourront être testées. Et ça, c’est une autre affaire.
