Alan Guth

Théorie inflationnisteEdit

Le premier pas de Guth vers le développement de sa théorie de l’inflation s’est produit à Cornell en 1978, lorsqu’il a assisté à une conférence de Robert Dicke sur le problème de la platitude de l’univers. Dicke a expliqué comment le problème de la planéité montrait que quelque chose d’important manquait à la théorie du Big Bang à l’époque. Le sort de l’univers dépendait de sa densité. Si la densité de l’univers était suffisamment grande, il s’effondrerait en une singularité, et si la densité réelle de la matière dans le cosmos était inférieure à la densité critique, l’univers deviendrait de plus en plus grand.

La suite du parcours de Guth est arrivée lorsqu’il a entendu une conférence de Steven Weinberg au début de 1979. Weinberg a parlé dans deux conférences de la théorie de la grande unité (GUT) qui avait été développée depuis 1974, et comment elle pouvait expliquer l’énorme quantité de matière dans l’univers par rapport à la quantité d’antimatière. La théorie GUT explique toutes les forces fondamentales connues de la science, à l’exception de la gravité. Elle établit que dans des conditions très chaudes, comme celles qui ont suivi le Big Bang, l’électromagnétisme, la force nucléaire forte et la force nucléaire faible s’unissent pour former une seule force. C’est également Weinberg qui a mis en avant l’idée que l’univers passe par des transitions de phase, similaires aux phases de la matière, lorsqu’il passe de la haute énergie à la basse énergie. La discussion de Weinberg sur la raison pour laquelle la matière est si dominante par rapport à l’anti-matière a montré à Guth comment des calculs précis sur les particules pouvaient être obtenus en étudiant les premières secondes de l’univers.

Guth a décidé de résoudre ce problème en suggérant une surfusion pendant une transition de phase retardée. Cela semblait très prometteur pour résoudre le problème du monopole magnétique. Au moment où Guth et son collaborateur Henry Tye ont proposé cette idée, Guth était parti au centre d’accélérateur linéaire de Stanford (SLAC) pendant un an. Tye leur a suggéré de vérifier que l’expansion de l’univers ne serait pas affectée par la surfusion. L’état de surfusion est un faux vide : c’est un vide dans le sens où c’est l’état de la plus faible densité d’énergie possible ; il est « faux » car il ne s’agit pas d’un état permanent. Les faux vides se désintègrent, et Guth allait découvrir que, étonnamment, la désintégration du faux vide au début de l’univers produisait une expansion exponentielle de l’espace. Cela a résolu le problème du monopole, puisque l’expansion réduit proportionnellement la densité du monopole.

Guth a réalisé à partir de sa théorie que la raison pour laquelle l’univers semble être plat était qu’il s’était agrandi à une taille si écrasante par rapport à sa taille originale. La perspective est analogue à l’apparente platitude de la Terre, à l’échelle humaine, lorsqu’elle est vue depuis sa surface. L’univers observable n’était en fait qu’une toute petite partie de l’univers réel. La théorie traditionnelle du Big Bang considérait que les valeurs de omega proches de 1 étaient déroutantes, car tout écart par rapport à 1 devenait rapidement beaucoup, beaucoup plus grand. Dans la théorie de l’inflation, quel que soit le point de départ de omega, il s’approcherait de 1 en raison de l’ampleur de l’expansion de l’univers. En fait, une prédiction majeure de la théorie de l’inflation est que l’on trouvera que omega est précisément égal à 1.

Deux semaines plus tard, Guth a entendu des collègues discuter de quelque chose appelé le problème de l’horizon. Le rayonnement de fond micro-ondes découvert par Arno Penzias et Robert Woodrow Wilson semblait extrêmement uniforme, avec presque aucune variance. Cela semblait très paradoxal, car lorsque le rayonnement a été émis environ 300 000 ans après le Big Bang, l’univers observable avait un diamètre de 90 millions d’années-lumière. Il n’y avait pas de temps pour qu’une extrémité du cosmos communique avec l’autre, car l’énergie ne peut pas se déplacer plus vite que la vitesse de la lumière. Le paradoxe a été résolu, comme Guth l’a vite compris, par la théorie de l’inflation. En effet, l’inflation a commencé avec une quantité de matière bien plus faible que ce que le Big Bang avait présupposé, une quantité si faible que toutes les parties auraient été en contact les unes avec les autres. L’univers s’est ensuite gonflé, à une vitesse correspondant à un milliard de fois la vitesse de la lumière, et l’homogénéité est restée intacte. L’univers après l’inflation aurait été très uniforme, même si ses parties n’étaient plus en mesure de s’influencer mutuellement.

Guth a rendu publiques pour la première fois ses idées sur l’inflation lors d’un séminaire au SLAC en janvier 1980. Il a ignoré les monopoles magnétiques parce qu’ils étaient basés sur des hypothèses de GUT, ce qui était en dehors de la portée du discours. En août 1980, il a soumis son article, intitulé « Inflationary universe : A possible solution to the horizon and flatness problems » à la revue Physical Review. Dans cet article, Guth postulait que l’inflation de l’univers pouvait s’expliquer si l’univers était surfondu 28 ordres de grandeur en dessous des températures critiques requises pour un changement de phase.

En décembre 1981, Guth a lu un article du physicien moscovite Andrei Linde affirmant que l’univers entier se trouve à l’intérieur d’une seule bulle, de sorte que rien n’est détruit par les collisions des parois. Cette conclusion a été faite en utilisant un champ de Higgs avec un graphe d’énergie qui a été initialement proposé par Sidney Coleman et Erick Weinberg. Guth en a discuté avec Linde, qui avait travaillé indépendamment sur l’inflation des bulles, mais sans tenir compte du problème de la planéité. Linde et Guth ont finalement échangé des articles sur le sujet.

En 1983, Guth avait publié un article décrivant comment son scénario d’univers surfondu n’était pas idéal, car le « mécanisme de déclenchement » pour sortir d’un tel état nécessiterait « un réglage extrêmement fin des paramètres » et estimait qu’une solution plus naturelle était nécessaire. Cependant, cela ne l’a pas dissuadé de croire que l’univers a connu une expansion exponentielle dans le vide au début de sa vie.