Dans un « anti-univers », tout serait inversé, même le temps. C’est là une hypothèse proposée par trois physiciens.

Dans l’univers science-fictif de Star Trek, il existe la notion d’univers miroir. Il s’agit d’un univers parallèle où le cours des événements se déroule à l’inverse. En somme, quand cela se passe bien dans l’univers 1, cela se passe mal dans l’univers 2. Mais la nouvelle théorie proposée par trois physiciens est bien plus culottée que cela : dans leur théorie, il existerait un univers miroir… physiquement miroir.

Dans leur papier de recherche, mis en ligne début 2022 et prochainement publié dans Annals of Physics, ils font l’hypothèse d’un anti-univers où le temps recule. Il s’agirait donc d’un véritable univers miroir : là où le temps avance dans notre univers, il irait à rebours dans cet autre univers.

Tout ceci relève de la physique théorique : non expérimentée, non prouvée, cette théorie est une pure hypothèse qui n’existe qu’au conditionnel. Mais ce n’est pas pour autant qu’elle n’est pas intéressante. Sur quelles bases physiques reposerait cet anti-univers ? Que pourrait-il résoudre dans notre compréhension de l’Univers ?

Univers et anti-univers en symétrie

Le papier de recherche commence par cette phrase : « Nous étudions l’idée que l’univers avant le Big Bang est le reflet CPT de l’univers après le bang, à la fois classiquement et en mécanique quantique, de sorte que cet univers est une violation spontanée du CPT. »

L’acronyme « CPT » correspond à trois ingrédients : charge, parité, temps. C’est ce qu’on appelle plus précisément la symétrie CPT. Notre univers repose sur cette notion de symétrie découverte depuis longtemps par les physiciens : la symétrie signifie que chacun de ces trois ingrédients dispose d’un opposé, mais que dans tous les cas, la mécanique physique sera la même. C’est un principe d’invariance.

  • Si vous inversez la charge des particules d’une interaction en remplaçant la matière par de l’antimatière, l’interaction sera la même.
  • Si vous regardez une interaction dans un miroir en inversant la parité, l’interaction sera la même.
  • Si vous reculez l’interaction dans le temps, l’interaction sera la même.

En clair, si l’on se base sur la symétrie CPT, ces systèmes physiques d’interaction sont invariables et un univers-miroir serait tout bonnement… le même univers, puisque tout se passe symétriquement qu’importe le point de vue.

Mais il y a un twist. Imaginez l’univers comme une scène de théâtre. Vous avez le casting, qui évolue sur la scène en dialoguant, et puis la scène elle-même toute entière. La symétrie CPT s’applique aux dialogues entre acteurs, ce qui correspond, pour la physique de l’univers, aux forces et aux champs. Sauf que les physiciens à l’origine de la nouvelle théorie font un postulat : et si cette symétrie était si fondamentale dans notre univers qu’elle s’appliquait à la scène toute entière ? C’est-à-dire une symétrie qui ne concernerait pas seulement les objets de l’univers et leurs dialogues, mais l’univers pris comme objet d’ensemble.

anti-univers
Montage Numerama de haute qualité pour illustrer la théorie de l’anti-univers

Mathématiquement, si l’univers tout entier doit respecter la symétrie CPT, il faut un anti-univers. Oui, car, comme la matière dispose de l’antimatière — une particule dispose d’une charge inverse dans son antiparticule — l’univers disposerait de son propre inverse. L’univers s’équilibrerait avec l’anti-univers. Cet anti-univers inverserait donc tous les CPT évoqués : les charges sont les contraires des nôtres, le temps recule, les coordonnées spatiales seraient à leur opposé (inversion de parité, comme un miroir spatial).

Si vous regardiez les deux univers côte à côte, vous verriez deux exacts opposés, avec au centre, le Big Bang. Si vous les recolliez ensemble, la symétrie serait parfaite : voilà la symétrie CPT appliquée à l’univers tout entier.

La matière noire, rémanent de l’anti-univers ?

Maintenant que l’on théorise cet anti-univers, quelles traces pourraient exister de celui-ci dans notre univers ? Une part de la réponse est à trouver dans… la matière noire et les neutrinos.

Il existe, dans notre univers, des particules appelées neutrinos. Il en existe trois types, mais ils ont un point commun : ils sont « gauchers », c’est-à-dire que leur spin (leur mouvement de rotation) tourne vers la gauche. Il est étrange qu’il n’existe pas, a priori, de neutrinos droitiers. Or, si on considère que l’univers tout entier doit respecter la symétrie CPT, il doit nécessairement exister des neutrinos droitiers pour équilibrer les neutrinos gauchers (souvenez-vous : cela doit être symétrique !). La matière noire, qui nous est invisible et existerait en des quantités suffisantes, pourrait correspondre à cette catégorie fantôme de neutrinos droitiers.

Leur théorie remetrait aussi en question l’inflation primordiale, car un univers obéissant tout entier à la symétrie CPT se serait rempli « naturellement » et rapidement de particules partenaires. L’inflation ne serait alors pas nécessaire pour expliquer l’expansion rapide de l’univers à ses débuts. Si l’on ne parvenait pas à détecter des ondes gravitationnelles datant des premiers âges, cela pourrait, selon ces trois auteurs, être un indice de l’existence de l’anti-univers, tout comme la quête des neutrinos, très difficiles à repérer, pourrait aussi aider.

Quoi qu’il en soit, rien ne vient pour l’instant élever cette théorie au-delà de son rang de nouvelle hypothèse très minoritaire. Mais, en plus d’intriguer, elle montre comment la physique théorique essaye de résoudre plusieurs mystères simultanément : celui de la matière noire, des neutrinos, de la nature de l’univers ; en itérant pour tenter de trouver le modèle le plus cohérent.