Le Big Bang

• L'ère de Planck

L'histoire de la matière commence il y a 13,7 milliards d'années avec la naissance de l'Univers lors de la période du Big Bang. Cette époque est initialement caractérisée par des densités d'énergie, donc des températures, extraordinaires. En fait, les conditions physiques sont tellement hors du commun que la physique actuelle ne possède pas de théorie capable de les appréhender.

Ces difficultés sont en particulier liées au fait que les quatre forces fondamentales de la nature, l'interaction gravitationnelle, la force électromagnétique et les forces nucléaires forte et faible, ne sont pas distinctes comme de nos jours, mais unifiées en une seule interaction fondamentale que nous ne savons toujours pas décrire correctement.

Chronologie du Big Bang. © O. Esslinger

Mais l'Univers est déjà en expansion et sa densité d'énergie décroît donc très rapidement. A 10^-43 seconde, la température a suffisamment baissé pour que la force gravitationnelle se sépare des trois autres interactions. C'est à partir de ce moment que la physique permet de comprendre les différents phénomènes qui se produisent. La gravité sera dorénavant décrite par la théorie de la relativité générale, les trois autres forces par la mécanique quantique.

• Les particules virtuelles

A cette époque reculée, l'Univers ne contient pas de matière au sens conventionnel du terme, mais il est peuplé de particules et d'antiparticules dites virtuelles, qui naissent en permanence du vide quantique pour disparaître presque aussitôt.

Ces particules profitent d'un concept de base de la mécanique quantique appelé le principe d'incertitude. Elles sont capables d'apparaître en empruntant à l'Univers une quantité infime d'énergie pendant un temps très court, avant de repayer leur dette en se désintégrant. Cette durée de vie très courte les distingue de la matière ordinaire, d'où le nom de particules virtuelles.

• L'inflation et la naissance de la matière

Le premier événement significatif de l'histoire de la matière se produit entre 10^-38 et 10^-35 seconde. La température, toujours en forte baisse, atteint le point où la force nucléaire forte se désunit elle aussi des deux autres interactions. Cet événement s'accompagne de l'injection d'une formidable quantité d'énergie dans l'Univers. Ceci provoque une accélération foudroyante de l'expansion, appelée l'inflation, pendant laquelle les distances relatives dans l'Univers seront multipliées par un facteur 10³⁵.

C'est également pendant l'inflation que l'évènement fondateur de notre histoire se produit. Les particules virtuelles profitent de l'énergie qui vient d'être injectée dans l'Univers. Elles absorbent cette énergie disponible presque sans restriction, l'utilisent pour repayer leur dette envers le principe d'incertitude, sans disparaître pour autant, et se métamorphosent ainsi en particules ordinaires.

L'Univers jusqu'alors vide se peuple alors de toutes sortes de particules, dont les plus connues sont l'électron, le neutrino et le quark. Le phénomène crée particules et antiparticules en quantités presque identiques, avec néanmoins une légère tendance à préférer les particules, ce qui aura d'importantes conséquences un peu plus tard.