Chapitre 8 : Avant qu’il y ait des atomes

Nuit 84 : L’exercice

L’alarme du quatre-vingt-quatrième jour était prévue, mais l’équipage n’en connaissait pas la minute exacte. Le sol leur avait dit qu’un exercice d’urgence aurait lieu dans l’après-midi. C’était tout. Noor en était à la moitié d’une séance sur le vélo d’exercice quand la tonalité retentit dans toute la station, forte et continue, suivie de la voix calme de Tomás annonçant qu’il s’agissait d’un exercice.

Chacun savait quoi faire, car ils l’avaient répété bien des fois au sol. Noor décrocha ses chaussures du vélo, se propulsa vers l’endroit où étaient rangés les masques d’urgence et en enfila un sur son visage. Ade était déjà là. Tomás lut à voix haute les premières étapes de la procédure d’urgence, et chacun répondit en exécutant sa part. Ils vérifièrent les relevés, fermèrent certaines écoutilles dans le bon ordre et rejoignirent les postes qu’ils occuperaient lors d’une vraie urgence, près du vaisseau qui pourrait les ramener sur Terre.

Le sol observait et chronométrait tout. Au bout d’une heure environ, l’exercice prit fin, et l’équipage eut un bref échange avec le sol sur ce qui s’était bien passé et sur ce qui pourrait être plus rapide. Une écoutille avait mis plus de temps à se fermer qu’elle n’aurait dû. Une page de la liste de contrôle n’était pas dans le bon ordre. Ces petites choses furent notées, afin de pouvoir être corrigées avant d’avoir la moindre importance.

Noor avait toujours pensé que les exercices faisaient partie des aspects les plus ordinaires de n’importe quel métier. Dans les bureaux, les usines, les écoles et les hôpitaux sur Terre, on s’entraîne aussi à évacuer le bâtiment quand une alarme retentit. On descend les escaliers, on se rassemble sur un parking ou dans une cour, et on attend pendant que quelqu’un compte les présents. La plupart du temps, cela paraît un peu ridicule. Mais le but d’un exercice est de rendre les bons gestes si familiers que, le jour où les choses tournent vraiment mal, personne n’ait à y réfléchir.

L’exercice fut une réussite, mais il empêcha Noor de dormir cette nuit-là. Ce n’était pas vraiment de la peur. C’était la sensation que son corps s’était préparé à quelque chose qui n’était jamais venu. Elle était allongée dans son sac de couchage, attaché à la paroi de sa petite cabine, et écoutait le ronronnement des ventilateurs. Son esprit ne cessait de reparcourir la procédure, étape par étape. Puis, comme son esprit aimait remonter en arrière, il remonta plus loin encore, au-delà de l’exercice, au-delà de la journée, jusqu’aux questions auxquelles elle réfléchissait au fil de ces nuits.

Sami lui avait écrit plus tôt dans la soirée. Il lui avait posé une question à laquelle elle ne pouvait pas répondre rapidement : « Si on continue à remonter le temps, avant les premières minutes, qu’est-ce qu’on trouve ? Et est-ce qu’il y a un moment où plus personne ne sait ? » C’était une bonne question pour une nuit d’insomnie. La réponse honnête comporte deux parties. En remontant, on trouve un monde plus étrange et plus simple que tous ceux que nous connaissons. Et oui, il y a un moment où plus personne ne sait.

Remonter encore plus loin

Lors de la nuit précédente, nous avons vu les toutes premières minutes, quand protons et neutrons se sont unis pour former de l’hélium. Avant cela, l’Univers était encore plus chaud, et les protons et les neutrons se déplaçaient librement. Ce soir, nous remontons encore plus loin. Plus nous remontons, plus tout devient chaud et dense. Et à mesure que la température monte, les choses que nous considérons d’habitude comme solides et permanentes commencent à se défaire.

Voici une façon de se le représenter. Pensez à de la glace dans une casserole. Quand vous la chauffez, elle devient de l’eau. Chauffez davantage, et l’eau devient de la vapeur. Ce sont les mêmes molécules, mais elles se comportent différemment à chaque température. Imaginez maintenant que vous chauffiez la vapeur bien au-delà de tout ce qu’on peut faire dans une cuisine. Les molécules d’eau se brisent en atomes d’hydrogène et d’oxygène. Chauffez-les davantage, et les électrons sont arrachés aux atomes. Chauffez-les encore plus, et même les noyaux se brisent en protons et en neutrons. L’Univers primitif est passé par toutes ces étapes dans l’autre sens, de la plus chaude à la plus froide, à mesure qu’il s’étendait et se refroidissait.

Si nous passons le film à l’envers à partir des premières minutes, nous arrivons donc à une époque où l’Univers était une soupe épaisse de protons libres, de neutrons, d’électrons et de lumière, tous filant à des vitesses énormes. Plus tôt encore, nous arrivons à une époque où même les protons et les neutrons n’existaient pas encore. Ils sont faits de morceaux encore plus petits, appelés quarks. Un proton est un petit groupe de trois quarks, maintenus ensemble par une force si puissante que, dans l’Univers d’aujourd’hui, on ne trouve jamais de quarks isolés.

Les électrons sont différents. Pour autant qu’on ait pu le mesurer, un électron n’est pas du tout fait de morceaux plus petits. Il semble être l’une des véritables particules fondamentales de la nature, comme les quarks eux-mêmes. La liste des plus petites briques de la matière ordinaire est donc étonnamment courte : deux sortes de quarks, qui forment les protons et les neutrons, et l’électron.

Quand l’Univers était extrêmement jeune, il faisait si chaud que les quarks n’étaient pas enfermés dans des protons et des neutrons. Ils se déplaçaient librement dans une sorte de mélange chaud et dense, avec les particules qui transmettent entre eux la force forte. Puis, quand l’Univers eut environ un millionième de seconde, il s’était suffisamment refroidi pour que les quarks se rassemblent par groupes de trois. Les protons et les neutrons se formèrent. Dès lors, ils furent les briques dont allaient se servir les premières minutes.

Un millionième de seconde, cela semble n’être rien du tout. C’est bien plus court qu’un clignement d’yeux. Mais dans l’Univers jeune, beaucoup de choses se sont produites en des temps aussi brefs, parce que tout allait si vite. Les physiciens disent parfois qu’il faudrait mesurer l’Univers primitif non pas en secondes ordinaires, mais selon son degré de refroidissement. Chaque palier de température apportait une nouvelle forme d’ordre, tandis que la soupe se transformait lentement en pièces de notre monde.

De petites gouttes de la chaleur des débuts

Comment peut-on étudier une époque aussi brève et aussi chaude ? Une partie de la réponse est que les scientifiques peuvent en recréer de minuscules gouttes sur Terre. Dans de grandes machines appelées accélérateurs de particules, les noyaux d’atomes lourds sont accélérés presque jusqu’à la vitesse de la lumière, puis projetés les uns contre les autres. Pendant une infime fraction de seconde, dans un espace bien plus petit qu’un grain de poussière, la collision produit des températures semblables à celles de l’Univers très jeune.

Dans ces minuscules gouttes, les protons et les neutrons des atomes qui se percutent fondent un instant en leurs quarks, et le mélange chaud se forme. Puis, presque aussitôt, il se refroidit et redevient des particules ordinaires, qui s’envolent vers les détecteurs disposés autour de la collision. En étudiant ce qui en sort, les scientifiques peuvent apprendre comment se comporte ce mélange chaud. Ainsi, un laboratoire en activité sur Terre devient une petite fenêtre ouverte sur le premier millionième de seconde.

Ces expériences ont réservé des surprises. Beaucoup de physiciens s’attendaient à ce que le mélange chaud de quarks se comporte comme un gaz léger. Au lieu de cela, il se comporte plutôt comme un liquide, et un liquide qui s’écoule presque sans aucune viscosité, plus facilement que l’eau ou n’importe quel autre liquide sur Terre. Cela nous apprend sur l’Univers jeune une chose que personne n’aurait pu deviner par la seule réflexion. C’est un bon rappel de l’importance des expériences.

Ces machines comptent parmi les plus grands instruments jamais construits par l’être humain. Des milliers d’ingénieurs, de techniciens et de scientifiques y travaillent, par équipes, jour et nuit. Certains vérifient des câbles. Certains écrivent les programmes informatiques qui trient les mesures. Certains surveillent des écrans toute la nuit et appellent à l’aide quand quelque chose semble anormal. Comme la station, ces machines sont mises en œuvre par de nombreuses personnes qui font avec soin des métiers ordinaires, et ensemble, ces métiers remontent jusqu’au commencement du temps.

Il est important d’être clair sur ce que cela signifie et ne signifie pas. Ces machines ne créent pas un nouvel univers, et elles ne sont pas dangereuses de cette manière. Elles créent, pendant un instant minuscule, la même température que celle de l’Univers primitif, dans un tout petit espace. Comme les lois de la physique sont les mêmes ici et là-bas, ce qui se passe dans ce petit espace nous dit comment l’Univers primitif se comportait à cette température. Plus on essaie de remonter loin, plus la température nécessaire serait élevée, et à un certain moment, elle devient bien plus élevée que tout ce qu’une machine pourrait jamais atteindre.

Jusqu’à l’époque où se sont formés les protons et les neutrons, et même un peu avant, les scientifiques sont assez sûrs des grandes lignes de l’histoire, parce que les températures de ces époques peuvent être testées de cette façon. Avant cela, l’histoire devient de moins en moins certaine. Les physiciens ont encore de bonnes idées sur les époques antérieures, et ils utilisent les mêmes lois aussi loin qu’elles peuvent être testées. Mais plus ils s’approchent du tout début, moins le sol est ferme.

Ceux qui ont trouvé les particules miroirs

L’une des parties les plus étranges de l’histoire de ce soir est l’antimatière. Le mot semble sortir d’un film de science-fiction, mais elle est bien réelle, et sa découverte est un bon exemple de la façon dont la science fonctionne parfois. Vers 1930, un physicien travaillait sur les équations qui décrivent le comportement des électrons lorsqu’ils se déplacent très vite. Les équations semblaient dire quelque chose d’inattendu. Elles semblaient permettre l’existence d’un jumeau de l’électron, de même poids mais de charge électrique opposée.

Au début, beaucoup de physiciens ne savaient pas qu’en penser. Ce n’était peut-être qu’une bizarrerie des mathématiques. Puis, en 1932, un jeune chercheur qui photographiait les traces laissées par des particules venues de l’espace vit une trace qui se courbait dans le mauvais sens. C’était une particule semblable à un électron, mais de charge positive. Le jumeau existait. On l’appela le positron. Plus tard, les scientifiques découvrirent que chaque sorte de particule possède un tel jumeau miroir. Ensemble, ces jumeaux forment ce que l’on appelle l’antimatière.

L’antimatière n’est pas une histoire réservée aux physiciens. Aujourd’hui, on en fabrique dans des laboratoires, et certains hôpitaux l’utilisent chaque jour ouvrable. Dans un type d’examen médical, le patient reçoit une petite quantité, soigneusement contrôlée, d’une substance spéciale qui émet des positrons à l’intérieur du corps. Quand un positron rencontre un électron ordinaire, les deux disparaissent et se transforment en un petit éclair d’énergie, que la machine placée autour du patient détecte. Les médecins utilisent ces examens pour voir comment fonctionnent certaines parties du corps. Quelque part ce soir, une infirmière ou un technicien de nuit prépare peut-être justement un tel examen.

Ce tour de disparition est la clé de l’énigme de ce soir. Quand une particule rencontre son jumeau d’antimatière, tous deux s’évanouissent et ne laissent derrière eux que de l’énergie. Et dans l’Univers jeune et chaud, des particules et leurs jumeaux étaient sans cesse créés à partir de l’énergie puis détruits de nouveau. S’il y avait eu exactement autant de matière que d’antimatière, alors, à mesure que l’Univers se refroidissait, elles se seraient rencontrées et entièrement détruites. Il ne serait rien resté d’autre que de la lumière. Il n’y aurait ni étoiles, ni planètes, ni êtres humains.

Mais quelque chose est resté. Pour des raisons que nous ne comprenons pas encore, il y avait un tout petit excédent de matière, environ une particule supplémentaire pour un milliard de paires. Quand la grande rencontre fut terminée, les paires s’étaient changées en lumière, et le petit excédent demeura. Tout ce que nous voyons aujourd’hui, chaque étoile et chaque galaxie, est fait de ce minuscule reste. Pourquoi l’Univers a produit un peu plus de matière que d’antimatière est l’une des grandes questions ouvertes de la physique. Les scientifiques cherchent une réponse, mais personne ne la connaît encore.

Là où s’arrête la physique d’aujourd’hui

Nous arrivons maintenant à la seconde partie de la question de Sami. Y a-t-il un moment où plus personne ne sait ? Oui, il y en a un. Si nous continuons à passer le film à l’envers, au-delà du premier millionième de seconde, l’Univers devient de plus en plus chaud et dense, sans aucune limite que nous connaissions. À un certain moment, il devient si chaud et si dense que nos deux meilleures descriptions de la nature ne s’accordent plus entre elles.

La première de ces descriptions est la théorie de la gravitation d’Einstein, qui explique comment se déplacent les grands objets comme les planètes, les étoiles et les galaxies, et comment l’espace lui-même peut s’étirer. La seconde est la théorie qui explique le monde des toutes petites choses, comme les atomes et les quarks, et que les physiciens appellent la théorie quantique. Chacune fonctionne extrêmement bien dans son propre domaine. Chacune a été testée de nombreuses fois. Mais au tout premier instant, quand l’Univers entier était à la fois extrêmement petit par ses distances et extrêmement chargé d’énergie, les deux théories seraient nécessaires en même temps. Et personne n’a encore trouvé le moyen de les réunir en une seule théorie qui fonctionne là.

On peut se représenter le problème ainsi. Imaginez deux très bonnes cartes. L’une montre tout le pays, avec ses montagnes et ses rivières, mais elle ne comporte aucun détail plus petit qu’une ville. L’autre montre une seule rue, maison par maison, mais rien au-delà. Chaque carte est excellente pour son propre usage. Mais si vous devez trouver votre chemin dans un lieu à la fois immense et plein de minuscules détails, aucune des deux cartes ne suffit à elle seule, et personne n’a encore dessiné la carte qui les réunit.

Ainsi, au tout premier instant, la physique d’aujourd’hui cesse de fonctionner. Cet instant est si bref qu’il n’existe aucun mot ordinaire pour le désigner. Il est bien plus court qu’un millionième de seconde, plus court que tout ce qu’une horloge pourrait jamais mesurer. Ce qui s’est passé alors, et même si « alors » a un sens, n’est pas connu. Certains scientifiques travaillent à de nouvelles théories qui pourraient un jour le décrire. Certaines de leurs idées sont intéressantes, mais aucune n’a encore été confirmée par des preuves.

Il est important de le dire clairement, car on le dit souvent de travers. La théorie du Big Bang ne décrit pas le tout premier instant. Elle décrit ce qui s’est passé ensuite : comment un Univers jeune, chaud et dense s’est étendu et refroidi, a fabriqué ses premiers éléments, a libéré sa plus ancienne lumière, puis a formé des étoiles et des galaxies. Cette partie de l’histoire est étayée par de nombreux types de preuves. Le tout premier instant lui-même, et toute question sur ce qui l’a précédé, restent au-delà de ce que nous savons.

Il n’y a là aucune honte. Une bonne carte est honnête sur l’endroit où elle s’arrête. Les cartes des anciens marins laissaient parfois des espaces blancs aux endroits qu’ils n’avaient pas encore explorés. Ces espaces blancs n’étaient pas des échecs. C’étaient des invitations. De la même façon, l’espace blanc du tout début de l’Univers est l’un des endroits les plus intéressants de toute la science, et beaucoup de gens travaillent, patiemment, à en remplir une petite partie.

Un message pour Sami

Quelque part au-dessus d’un océan sombre, Noor sentit enfin venir le sommeil. Avant qu’il n’arrive, elle prit sa tablette et écrivit à Sami, qui devait être en pause à cette heure-là : « Tu m’as demandé s’il y a un moment où plus personne ne sait. Il y en a un. Plus on remonte avant le premier millionième de seconde, moins les choses sont certaines, et au tout premier instant, personne ne sait plus rien du tout. Pas même les meilleurs scientifiques. Ce n’est pas grave de ne pas savoir. »

Sami répondit un peu plus tard. Il dit que son responsable non plus ne savait pas tout, mais faisait semblant, et qu’il préférait les scientifiques. Noor sourit dans l’obscurité de sa cabine. Puis elle éteignit la tablette et laissa le ronronnement des ventilateurs l’emporter vers le sommeil.

Certains soirs après le travail, votre esprit continue peut-être lui aussi de tourner, revenant sur une journée déjà terminée. Ces soirs-là, il y a un étrange réconfort à se rappeler que même l’Univers a un commencement que personne ne comprend entièrement. Toutes les questions n’ont pas besoin d’une réponse avant le matin. Certaines peuvent être portées doucement, toute une vie, et rester de bonne compagnie.

Idées reçues

Beaucoup de gens pensent que les scientifiques savent exactement ce qui s’est passé au « temps zéro », le tout premier instant de l’Univers. Ce n’est pas le cas. Comme nous l’avons vu ce soir, nos meilleures théories cessent de fonctionner au tout premier instant, et personne n’a encore trouvé de théorie qui fonctionne là. Les scientifiques peuvent décrire avec assurance ce qui s’est passé à partir d’une infime fraction de seconde, et ils sont d’autant plus sûrs que l’époque est tardive. Mais le premier instant lui-même reste inconnu, et les scientifiques honnêtes le disent.

Beaucoup de gens pensent aussi que l’antimatière n’est qu’une invention de science-fiction. Elle est bien réelle. Les scientifiques en fabriquent de petites quantités dans des laboratoires, des particules d’antimatière arrivent naturellement de l’espace, et certains examens hospitaliers l’utilisent tous les jours. Ce qui est vrai, c’est que l’antimatière est très rare dans l’Univers d’aujourd’hui, parce que presque toute l’antimatière a rencontré de la matière et a disparu il y a longtemps. C’est pourquoi nous ne croisons jamais d’antimatière dans la vie quotidienne, et pourquoi le petit excédent de matière est une énigme si importante.

Enfin, beaucoup de gens imaginent que « l’Univers était tout petit » signifie qu’il était un petit objet, comme une boule lumineuse, posé à l’intérieur d’un espace plus grand et vide. Ce n’est pas ce que veulent dire les scientifiques. Il n’y avait pas d’espace extérieur dans lequel l’Univers aurait pu se trouver. Quand les scientifiques disent que l’Univers était petit, ils veulent dire que les distances entre toutes les choses qu’il contenait étaient bien plus courtes qu’aujourd’hui, et que tout était très serré et très chaud. L’Univers ne s’est pas étendu dans l’espace. C’est l’espace lui-même qui s’est étiré. Lors de la prochaine nuit, nous repartirons vers l’avant, jusqu’à une époque calme et sombre qui a suivi la plus ancienne lumière, quand l’Univers attendait ses premières étoiles.