Description et origines de la théorie de l'inflation

Théorie de l'inflation rassemble des idées de la physique quantique et de la physique des particules pour explorer les premiers moments 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 forcé une expansion rapide de l'univers à ses débuts. 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 certains traits, tels que la distribution uniforme de l'énergie et la géométrie plate de l'espace-temps, qui n'avaient pas été précédemment expliqués 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 une composante largement acceptée de la théorie du big bang, même si les idées centrales de la théorie du big bang étaient bien établies pendant 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 avérée assez fructueuse au fil des ans, en particulier après avoir été confirmée par la découverte du rayonnement du fond micro-ondes cosmique (CMB). Malgré le grand succès de la théorie pour expliquer la plupart des aspects de l'univers que nous avons vus, il restait trois problèmes majeurs:

• Le problème d'homogénéité (ou, "Pourquoi l'univers était-il si incroyablement uniforme juste une seconde après le big bang?") Comme la question est présentée dans Univers sans fin: au-delà du Big Bang)
• Le problème de planéité
• La surproduction prévue de monopôles magnétiques

Le modèle du big bang semblait prédire un univers incurvé dans lequel l'énergie n'était pas du tout répartie uniformément, et dans lequel il y avait beaucoup de monopôles magnétiques, dont aucun ne correspondait aux preuves.

Le physicien des particules Alan Guth a appris pour la première fois le problème de la planéité lors d'une conférence de 1978 à l'Université Cornell par Robert Dicke. Au cours des deux prochaines années, 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 du 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. La thermodynamique dicte que la densité de l'univers l'aurait forcé à se développer extrêmement rapidement.

Pour ceux qui sont intéressés par plus de détails, essentiellement l'univers aurait 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 aurait traversé un processus de surfusion, cherchant un état stable de basse énergie (un "vrai vide" dans lequel le mécanisme de Higgs était activé), et c'est ce processus de surfusion qui a conduit la période inflationniste d'expansion rapide.

Avec quelle rapidité? L'univers aurait doublé de taille tous les 10^-35 secondes. Dans les 10^-30 quelques secondes, l'univers aurait doublé de taille 100 000 fois, ce qui est une expansion plus que suffisante pour expliquer le problème de planéité. Même si l'univers avait une courbure quand il a commencé, une telle expansion le ferait apparaître plat aujourd'hui. (Considérez que la taille de la Terre est suffisamment grande pour qu'elle nous semble plate, même si nous savons que la surface sur laquelle nous nous tenons est l'extérieur incurvé d'une sphère.)

De même, l'énergie est distribuée de manière si uniforme parce qu'au début, nous étions 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 importantes et inégales d'énergie, elles seraient trop loin pour nous de percevoir. Ceci est une solution au problème d'homogénéité.

Affiner la théorie

Le problème avec la théorie, pour autant que Guth puisse le dire, était qu'une fois l'inflation commencée, elle continuerait pour toujours. Il ne semblait pas y avoir de mécanisme d'arrêt clair en place.

De plus, si l'espace se développait continuellement à ce rythme, une idée précédente sur le premier univers, présentée par Sidney Coleman, ne fonctionnerait pas. Coleman avait prédit que les transitions de phase dans le premier univers se sont produites par la création de minuscules bulles qui se sont fusionnées. Avec l'inflation en place, les minuscules bulles s'éloignaient les unes des autres trop rapidement pour se fusionner.

Fasciné par la perspective, le physicien russe Andre Linde a attaqué ce problème et s'est rendu compte qu'il y avait une autre interprétation qui s'occupait de ce problème, tandis que de ce côté du rideau de fer (c'était les années 1980, rappelez-vous), Andreas Albrecht et Paul J. Steinhardt sont venus avec une solution similaire.

Cette nouvelle variante de la théorie est celle qui a vraiment gagné en popularité tout au long des années 1980 et qui est finalement devenue une 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: