Si l’Univers a un centre, où se trouve-t-il ?

Il y a environ un siècle, les scientifiques s’efforçaient de concilier ce qui semblait être une contradiction dans la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein.

Publiée en 1915 et déjà largement acceptée dans le monde entier par les physiciens et les mathématiciens, cette théorie supposait que l’Univers était statique, c’est-à-dire immuable et immobile. En bref, Einstein pensait que l’Univers d’aujourd’hui avait la même taille et la même forme que dans le passé.

Puis, lorsque les astronomes ont observé des galaxies lointaines dans le ciel nocturne à l’aide de puissants télescopes, ils ont constaté que l’Univers était loin d’être immuable. Bien au contraire, les nouvelles observations suggéraient que l’Univers était en expansion.

Les scientifiques se sont rapidement rendu compte que la théorie d’Einstein ne stipulait pas que l’Univers devait être statique – elle pouvait tout à fait décrire un Univers en expansion. En utilisant les outils mathématiques que ceux fournis par la théorie d’Einstein, les scientifiques ont créé de nouveaux modèles, qui, eux, montraient que l’Univers était dynamique et en évolution.

J’ai passé des dizaines d’années à essayer de comprendre la relativité générale, y compris dans le cadre de mon travail actuel en tant que professeur de physique, puisque je donne des cours sur le sujet. Je sais que l’idée d’un Univers en perpétuelle expansion peut sembler intimidante, et qu’une partie du défi conceptuel auquel nous sommes tous confrontés ici consiste à dépasser notre intuition de la façon dont les choses fonctionnent.

Par exemple, s’il est difficile d’imaginer que quelque chose d’aussi grand que l’Univers n’a pas de centre… la physique dit que c’est la réalité.

L’espace entre les galaxies

Tout d’abord, définissons ce que l’on entend par « expansion ». Sur Terre, « expansion » signifie que quelque chose grossit. Et en ce qui concerne l’Univers, c’est vrai, en quelque sorte.

L’expansion peut également signifier que « tout s’éloigne de nous », ce qui est également vrai en ce qui concerne l’Univers. Il suffit de pointer un télescope sur des galaxies lointaines pour constater qu’elles semblent toutes s’éloigner de nous. En outre, plus elles sont éloignées, plus elles semblent se déplacer rapidement. Et elles semblent également s’éloigner les unes des autres.

Il est donc plus exact de dire que tout ce qui existe dans l’Univers s’éloigne de tout le reste, en même temps.

Cette idée est subtile mais essentielle. Il est facile d’imaginer la création de l’univers comme un feu d’artifice qui explose : ça commence par un Big Bang, puis toutes les galaxies de l’Univers s’envolent dans toutes les directions à partir d’un point central.

Mais cette analogie n’est pas correcte. Non seulement elle implique à tort que l’expansion de l’Univers a commencé à partir d’un point unique, ce qui n’est pas le cas, mais elle suggère également que ce sont les galaxies qui se déplacent, ce qui n’est pas tout à fait exact non plus.

Ce ne sont pas tant les galaxies qui s’éloignent les unes des autres : c’est l’espace entre les galaxies, le tissu de l’Univers lui-même, qui s’agrandit au fur et à mesure que le temps passe.

En d’autres termes, ce ne sont pas vraiment les galaxies elles-mêmes qui se déplacent dans l’Univers ; c’est plutôt l’Univers lui-même qui les transporte plus loin à mesure qu’il s’étend.

Une analogie courante consiste à imaginer que l’on colle des points sur la surface d’un ballon. Lorsque vous insufflez de l’air dans le ballon, celui-ci se dilate. Comme les points sont collés à la surface du ballon, ils s’éloignent les uns des autres. Bien qu’ils semblent se déplacer, les points restent en fait exactement à l’endroit où vous les avez placés, et la distance qui les sépare s’accroît simplement en raison de l’expansion du ballon.

Imaginez maintenant que les points sont des galaxies et que le ballon est le tissu de l’Univers, et vous commencerez à voir ce dont il s’agit ici.

Malheureusement, si cette analogie est un bon début, elle ne permet pas non plus de comprendre les détails.

La quatrième dimension

Pour toute analogie, il est important de comprendre ses limites. Certains défauts sont évidents : un ballon est assez petit pour tenir dans votre main, ce qui n’est pas le cas de l’Univers. Un autre défaut est plus subtil. Le ballon est composé de deux parties : sa surface en latex et son intérieur rempli d’air.

Ces deux parties du ballon sont décrites différemment dans le langage mathématique. La surface du ballon est bidimensionnelle. Si vous marchez dessus, vous pouvez vous déplacer vers l’avant, l’arrière, la gauche ou la droite, mais vous ne pouvez pas vous déplacer vers le haut ou le bas sans quitter la surface.

On pourrait croire que nous nommons ici quatre directions – avant, arrière, gauche et droite –, mais il ne s’agit que de mouvements le long de deux axes de base : d’un côté à l’autre et d’avant en arrière. Ces deux axes, longueur et largeur, rendent la surface bidimensionnelle.

L’intérieur du ballon, en revanche, est tridimensionnel. Vous pouvez donc vous déplacer librement dans toutes les directions : en longueur et en largeur, mais aussi vers le haut ou vers le bas – ce qui constitue un troisième axe, la hauteur.

C’est là que réside la confusion. Ce que nous considérons comme le « centre » du ballon est un point situé quelque part à l’intérieur du ballon, dans l’espace rempli d’air qui se trouve sous la surface.

Mais dans cette analogie, l’Univers ressemble davantage à la surface en latex du ballon. L’intérieur du ballon, rempli d’air, n’a pas d’équivalent dans notre Univers, et nous ne pouvons donc pas utiliser cette partie de l’analogie – seule la surface compte.

Demander « Où est le centre de l’Univers ? », c’est un peu comme demander « Où est le centre de la surface du ballon ? » Il n’y en a tout simplement pas. Vous pourriez voyager le long de la surface du ballon dans n’importe quelle direction, aussi longtemps que vous le souhaitez, et vous n’atteindriez jamais un endroit que vous pourriez appeler son centre parce que vous ne quitteriez jamais la surface.

De la même manière, vous pourriez voyager dans n’importe quelle direction dans l’Univers et vous ne trouveriez jamais son centre, car, tout comme la surface du ballon, il n’en a tout simplement pas.

Si cela peut être si difficile à comprendre, c’est en partie à cause de la façon dont l’Univers est décrit dans le langage mathématique. La surface du ballon a deux dimensions, et l’intérieur du ballon en a trois, mais l’Univers existe en quatre dimensions. Parce qu’il ne s’agit pas seulement de la façon dont les choses se déplacent dans l’espace, mais aussi de la façon dont elles se déplacent dans le temps.

Notre cerveau est conçu pour penser à l’espace et au temps séparément. Mais dans l’Univers, l’espace et le temps sont imbriqués en un seul tissu, appelé « espace-temps ». Cette unification modifie le fonctionnement de l’Univers, par rapport à ce que prévoit notre intuition.

Et cette explication ne répond même pas à la question de savoir comment quelque chose peut être en expansion infinie – les scientifiques tentent toujours de comprendre ce qui est à l’origine de cette expansion.

En nous interrogeant sur le centre de l’Univers, nous nous heurtons donc aux limites de notre intuition. La réponse que nous trouvons (tout est en expansion partout et en même temps) nous donne un aperçu de l’étrangeté et de la beauté de notre Univers.

Rob Coyne, Teaching Professor of Physics, University of Rhode Island

Cet article est republié à partir de The Conversation sous licence Creative Commons. Lire l’article original.

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