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La théorie de l’inflation rassemble des idées de la physique quantique et de la physique des particules pour explorer les premiers instants de l’univers, après le big bang. Selon la théorie de l’inflation, l’univers a été créé dans un état énergétique instable, ce qui a entraîné une expansion rapide de l’univers dans ses premiers instants. L’une des conséquences est que l’univers est beaucoup plus grand que prévu, bien plus grand que la taille que nous pouvons observer avec nos télescopes. Une autre conséquence est que cette théorie prédit certaines caractéristiques, telles que la distribution uniforme de l’énergie et la géométrie plate de l’espace-temps, qui n’avaient pas été expliquées auparavant dans le cadre de la théorie du big bang.
Développée en 1980 par le physicien des particules Alan Guth, la théorie de l’inflation est aujourd’hui généralement considérée comme un élément largement accepté de la théorie du big bang, même si les idées centrales de la théorie du big bang étaient bien établies depuis des années avant le développement de la théorie de l’inflation.
Les origines de la théorie de l’inflation
La théorie du big bang s’est révélée assez fructueuse au fil des ans, notamment grâce à la découverte du rayonnement de fond cosmique (CMB). Malgré le grand succès de la théorie pour expliquer la plupart des aspects de l’univers que nous avons vu, il restait trois problèmes majeurs :
- Le problème de l’homogénéité (ou « Pourquoi l’univers était-il si incroyablement uniforme une seconde après le big bang ? », comme la question est présentée dans Endless Universe : Beyond the Big Bang)
- Le problème de la planéité
- La surproduction prévue de monopoles magnétiques
Le modèle du big bang semblait prédire un univers courbe dans lequel l’énergie n’était pas du tout distribuée de manière égale, et dans lequel il y avait beaucoup de monopoles magnétiques, dont aucun ne correspondait aux preuves.
Le physicien des particules Alan Guth a découvert le problème de la planéité en 1978, lors d’une conférence donnée par Robert Dicke à l’université Cornell. Au cours des deux années suivantes, Guth a appliqué des concepts de la physique des particules à la situation et a développé un modèle d’inflation de l’univers primitif.
Guth a présenté ses conclusions lors d’une conférence donnée le 23 janvier 1980 au Stanford Linear Accelerator Center. Son idée révolutionnaire était que les principes de la physique quantique au cœur de la physique des particules pouvaient être appliqués aux premiers moments de la création du big bang. L’univers aurait été créé avec une densité d’énergie élevée. Selon la thermodynamique, la densité de l’univers l’aurait obligé à se dilater extrêmement rapidement.
Pour ceux qui s’intéressent à plus de détails, l’univers aurait essentiellement été créé dans un « faux vide » avec le mécanisme de Higgs désactivé (ou, en d’autres termes, le boson de Higgs n’existait pas). Il serait passé par un processus de surrefroidissement, à la recherche d’un état stable de basse énergie (un « vrai vide » dans lequel le mécanisme de Higgs s’est activé), et c’est ce processus de surrefroidissement qui a conduit à la période inflationniste d’expansion rapide.
À quelle vitesse ? L’univers aurait doublé de taille toutes les 10-35 secondes. En 10 à 30 secondes, l’univers aurait doublé de taille 100 000 fois, ce qui est une expansion plus que suffisante pour expliquer le problème de la planéité. Même si l’univers avait une courbure au départ, une expansion aussi importante lui donnerait l’air plat aujourd’hui. (Considérez que la taille de la Terre est suffisamment grande pour qu’elle nous paraisse plate, même si nous savons que la surface sur laquelle nous nous trouvons est la partie courbée à l’extérieur d’une sphère).
De même, l’énergie est distribuée de façon si uniforme parce qu’au début, nous ne faisions qu’une très petite partie de l’univers, et cette partie de l’univers s’est développée si rapidement que s’il y avait des distributions d’énergie très inégales, elles seraient trop loin pour que nous puissions les percevoir. C’est une solution au problème de l’homogénéité.
Affiner la théorie
Le problème de cette théorie, selon Guth, est qu’une fois que l’inflation a commencé, elle se poursuivra pour toujours. Il ne semblait pas y avoir de mécanisme d’arrêt clair en place.
De plus, si l’espace s’étendait continuellement à ce rythme, alors une idée précédente sur les débuts de l’univers, présentée par Sidney Coleman, ne fonctionnerait pas. Coleman avait prédit que les transitions de phase dans l’univers primitif se produisaient par la création de minuscules bulles qui se coalisaient. Avec l’inflation en place, les petites bulles s’éloignaient les unes des autres trop rapidement pour pouvoir se regrouper.
Fasciné par cette perspective, le physicien russe Andre Linde s’est attaqué à ce problème et s’est rendu compte qu’une autre interprétation s’en chargeait, tandis que de ce côté du rideau de fer (c’était les années 80, souvenez-vous) Andreas Albrecht et Paul J. Steinhardt ont trouvé une solution similaire.
Cette nouvelle variante de la théorie est celle qui a vraiment pris de l’ampleur dans les années 1980 et qui a fini par faire partie de la théorie établie du big bang.
Autres noms pour la théorie de l’inflation
La théorie de l’inflation porte plusieurs autres noms, notamment :
- l’inflation cosmologique
- l’inflation cosmique
- inflation
- l’ancienne inflation (version originale de la théorie de Guth de 1980)
- nouvelle théorie de l’inflation (nom de la version avec le problème de la bulle corrigé)
- inflation lente (le nom de la version avec le problème de la bulle corrigé)
Il existe également deux variantes étroitement liées de la théorie, l’inflation chaotique et l’inflation éternelle, qui présentent quelques distinctions mineures. Dans ces théories, le mécanisme d’inflation ne s’est pas produit une seule fois immédiatement après le big bang, mais se produit plutôt à plusieurs reprises dans différentes régions de l’espace, tout le temps. Elles postulent qu’un nombre d' »univers de bulles » se multipliant rapidement fait partie du multivers. Certains physiciens soulignent que ces prédictions sont présentes dans toutes les versions de la théorie de l’inflation, et ne les considèrent donc pas vraiment comme des théories distinctes.
Étant une théorie quantique, il y a une interprétation de la théorie de l’inflation sur le terrain. Dans cette approche, le mécanisme d’entraînement est le champ d’inflation ou la particule d’inflation.
Note : Si le concept d’énergie noire de la théorie cosmologique moderne accélère également l’expansion de l’univers, les mécanismes impliqués semblent être très différents de ceux de la théorie de l’inflation. Les cosmologistes s’intéressent notamment à la manière dont la théorie de l’inflation pourrait conduire à des connaissances sur l’énergie noire, ou vice versa.
