La matière et l’antimatière, et deux univers

L’univers est constitué de matière. Les galaxies, les étoiles et les planètes que nous observons, et jusqu’à notre propre corps, sont tous faits de matière. La physique moderne a également établi l’existence de l’antimatière, qui correspond à cette matière. Pourtant, les termes mêmes de matière et d’antimatière prêtent d’emblée à confusion. Ils donnent l’impression que l’une serait de la vraie matière et l’autre une fausse matière, ou que, lorsque la matière et l’antimatière se rencontrent, il ne reste plus rien. En réalité, l’antimatière est une entité physique tout aussi réelle que la matière. L’électron possède une charge électrique négative, tandis que son antiparticule correspondante, le positron, possède une charge positive. Tous deux ont la même masse, mais des charges électriques de signes opposés. De même, le proton et l’antiproton ont la même masse, mais leur charge électrique et certaines autres propriétés quantiques sont opposées. Que signifie alors l’annihilation de la matière et de l’antimatière lorsqu’elles se rencontrent ?

Lorsqu’un électron et un positron se rencontrent, les deux particules peuvent disparaître et des photons peuvent être produits. Ce qui disparaît ici, c’est l’identité individuelle de l’électron et du positron en tant que particules. L’énergie, elle, ne disparaît pas. L’énergie correspondant à la masse au repos des deux particules est convertie en énergie des photons, tandis que la quantité de mouvement totale et le moment cinétique sont également conservés. La charge négative de l’électron et la charge positive du positron s’additionnent pour donner zéro. Le photon n’a pas de masse au repos, mais il possède de l’énergie et une quantité de mouvement, ainsi que des propriétés de moment cinétique liées au spin. L’annihilation de la matière et de l’antimatière n’est donc pas un événement au cours duquel une réalité physique retourne au néant, mais un processus par lequel certaines particules se transforment en d’autres particules. La matière et l’antimatière ne sont pas tant des entités opposées que des existences possédant des propriétés symétriques sous les mêmes lois physiques.

Pourquoi, alors, reste-t-il autant de matière dans l’univers ? Selon la cosmologie moderne, la matière et l’antimatière auraient existé en quantités presque égales dans l’univers primordial. En s’annihilant mutuellement, elles n’auraient laissé qu’un infime excédent de matière, qui aurait fini par constituer l’univers actuel. On explique souvent que, pour un milliard de particules d’antimatière, il existait une particule de matière supplémentaire. Un milliard semble être un nombre immense. Pourtant, un simple grain de sable de quartz d’environ 0,5 millimètre de diamètre contient à lui seul quelque cinq milliards de milliards d’atomes. Si l’on considère un milliard d’atomes comme un groupe, un seul grain de sable contient environ cinq milliards de ces groupes. Dire qu’une particule sur un milliard a subsisté revient à exprimer une proportion. Si cette proportion de matière est restée dans l’univers entier, sa quantité absolue pourrait être suffisamment immense pour constituer toutes les galaxies et toutes les étoiles d’aujourd’hui.

Ce chiffre n’a pas été obtenu en comptant directement les particules de l’univers primordial. Les scientifiques observent le fond diffus cosmologique et les proportions relatives des éléments primordiaux, entre autres, pour calculer les quantités relatives de matière et de rayonnement. Ils interprètent ensuite ces résultats comme le signe d’une asymétrie entre la matière et l’antimatière dans l’univers primordial. Mais on ignore encore pourquoi une telle asymétrie est apparue à l’origine. Pour comprendre ce problème, les scientifiques recherchent des antiparticules dans l’espace et produisent de l’antimatière en laboratoire afin d’en mesurer les propriétés. Samuel Ting, physicien américain d’origine chinoise et lauréat du prix Nobel de physique en 1976, a dirigé une vaste expérience destinée à rechercher de l’antimatière dans l’espace. En mai 2011, le spectromètre magnétique Alpha AMS-02, développé par son équipe de recherche, a été transporté à bord de la navette spatiale Endeavour et installé sur la Station spatiale internationale. Cet instrument analyse la charge électrique, la quantité de mouvement et d’autres propriétés des particules de haute énergie provenant de l’espace afin de distinguer les particules de matière des antiparticules. Des positrons et des antiprotons sont effectivement détectés dans l’espace. Ils peuvent également être produits lors de collisions de rayons cosmiques. La découverte d’antiparticules ne suffit donc pas, à elle seule, à conclure à l’existence d’étoiles ou de galaxies constituées d’antimatière. Au CERN, l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire, des expériences sont également menées pour combiner des antiprotons et des positrons afin de produire des atomes d’antihydrogène, puis de les confiner à l’aide de champs électromagnétiques. Les chercheurs comparent avec une grande précision les propriétés de la matière et de l’antimatière pour déterminer s’il existe des différences qui n’ont pas encore été découvertes.

Jusqu’ici, il s’agit de recherches effectivement menées en physique moderne. Envisageons maintenant une autre possibilité. Supposons que, dans l’univers originel, la matière et l’antimatière aient existé en quantités exactement égales, et que l’antimatière correspondant à toute la matière qui subsiste aujourd’hui dans notre univers existe encore quelque part. Et si cette antimatière se trouvait non pas dans une galaxie lointaine, mais dans un autre univers ? L’un serait constitué de matière, l’autre d’antimatière. Les deux univers seraient nés d’une même origine et posséderaient chacun leur propre espace et leur propre temps. Les êtres de l’univers opposé pourraient eux aussi observer des étoiles et des planètes, et avoir développé la vie et des civilisations. Pour eux, les particules qui composent leur corps seraient de la matière ordinaire. Ce seraient plutôt les particules qui composent notre corps qui seraient classées comme de l’antimatière. Il n’existe aucune étiquette cosmique absolue permettant de décider lequel des deux côtés est la matière et lequel est l’antimatière.

L’idée de considérer l’univers comme deux mondes symétriques n’est pas entièrement nouvelle. En 2018, Latham Boyle, Kieran Finn et Neil Turok ont présenté un modèle cosmologique fondé sur la symétrie CPT. Ils ont étudié la possibilité qu’il existe, de l’autre côté du Big Bang, un univers symétrique au nôtre. CPT désigne une symétrie combinant C, qui échange les propriétés des particules et des antiparticules, P, qui inverse l’orientation de l’espace, et T, qui inverse le sens du temps. Dans cette hypothèse, les temps des deux univers évoluent dans des directions opposées à partir du Big Bang. Pourtant, les observateurs de chacun des deux univers auraient tous l’impression que leur propre temps avance. Car la direction dans laquelle se forment leurs souvenirs est précisément celle du temps qu’ils éprouvent.

Ajoutons maintenant une hypothèse supplémentaire. Et si les deux univers n’étaient pas complètement séparés ? La création de certaines antiparticules que nous observons dans les accélérateurs de particules pourrait en réalité correspondre au passage de particules provenant d’un autre univers. Les collisions de particules de haute énergie perturberaient momentanément la frontière entre les deux univers, et les particules traverseraient la fissure qui s’ouvrirait alors. Cette fissure se refermerait immédiatement, nous empêchant d’observer l’univers opposé. Nous interpréterions ce phénomène comme une création de particules. Bien entendu, la création de particules observée dans les véritables accélérateurs est expliquée par la théorie quantique des champs, et aucune preuve expérimentale ne permet d’affirmer qu’une frontière entre deux univers s’ouvre ainsi. Il s’agit d’une imagination née de l’hypothèse selon laquelle un autre univers, encore inconnu, existerait. Mais qu’arriverait-il si une civilisation développait une technologie permettant d’ouvrir et de fermer cette frontière de manière stable ? Elle pourrait alors relier deux espaces-temps possédant des directions temporelles différentes. Ne pourrait-on pas, dès lors, interpréter le phénomène d’inversion du temps d’une manière nouvelle ?

De tous les films de Christopher Nolan, Tenet est celui que je préfère. Il a suscité de nombreuses controverses et a été jugé difficile à comprendre, mais il m’a beaucoup plus fortement attiré que les autres films de Nolan. Je l’ai regardé des dizaines de fois. Chaque fois, je me retrouve à réfléchir à l’inversion du temps, aux relations de cause à effet entre les événements et à la différence entre les informations dont disposent les personnages et ce qui s’est réellement produit. Dans le film, les personnages traversent un dispositif particulier qui inverse le sens de leur progression dans le temps. Le film explique ce phénomène par une inversion de l’entropie. Une personne qui remonte le temps continue, de son propre point de vue, à penser, à se déplacer et à former des souvenirs comme d’habitude, mais elle semble se mouvoir à l’envers aux yeux des autres.

Or, si deux univers symétriques existaient réellement, le dispositif du film ne serait peut-être pas une machine qui fait tourner le temps à l’envers. Il pourrait s’agir d’un appareil reliant deux espaces-temps évoluant dans des directions opposées et faisant correspondre l’état d’un objet à la direction temporelle de l’autre univers. Une personne qui traverse le tourniquet ne remonte pas son propre temps. Elle continue de vivre en direction de son propre avenir. Si elle semble remonter le temps aux yeux d’un observateur de notre univers, c’est parce que la direction temporelle à laquelle elle appartient est opposée à la nôtre. Pour achever cette hypothèse sur le plan physique, il faudrait expliquer comment les coordonnées temporelles des deux univers sont reliées et comment un objet ayant traversé l’univers opposé pourrait arriver dans le passé de notre univers.

Une autre question mérite ici d’être examinée. Dans le film, les habitants de la Terre interprètent l’inversion du temps qu’ils observent comme une inversion de l’entropie. Ils essaient de l’expliquer à l’aide des lois physiques qu’ils connaissent. Mais que penserait une civilisation de l’univers opposé en entendant cette explication ? Ses membres savent déjà que deux univers existent et ont même développé une technologie permettant de relier leurs espaces-temps. À leurs yeux, l’inversion de l’entropie pourrait apparaître comme une explication primitive, incapable de saisir la véritable nature du phénomène. Ce qui s’est réellement produit serait un déplacement entre deux univers, mais les habitants de la Terre concluraient que le temps d’un objet s’écoule à l’envers en se fondant uniquement sur ce qu’ils observent dans leur propre univers. Le phénomène observé pourrait être réel, tandis que leur interprétation de sa cause serait erronée. Ils croiraient comprendre la technologie de l’inversion du temps sans même savoir d’où elle provient.

Lorsque j’ai commencé à envisager les choses ainsi, l’histoire de Tenet m’est apparue sous un jour entièrement différent. Dans le film, l’humanité du futur cherche à intervenir dans le monde du passé pour assurer sa propre survie. Sator, interprété par Kenneth Branagh, utilise l’or et les informations envoyés depuis le futur pour acquérir une richesse et un pouvoir immenses. Il prévoit que sa mort déclenchera la transmission de l’emplacement de l’algorithme vers le futur. Mais si les êtres qui envoient de l’or à Sator et le manipulent n’étaient pas des humains du futur ? S’ils venaient d’un autre univers, symétrique au nôtre ? Ils appelleraient l’univers dans lequel ils vivent l’Univers originel et le nôtre l’Univers répliqué. Le temps progresserait dans des directions opposées dans les deux univers, et ils auraient déjà développé une technologie permettant de manipuler la frontière entre les espaces-temps. S’ils ont approché Sator, ce ne serait pas pour modifier leur propre passé. Ce serait pour éliminer un autre univers qui menace le leur.

Pour eux, notre univers causerait depuis longtemps de graves problèmes. Comme nous l’avons imaginé plus haut, supposons que chaque fois qu’un accélérateur de particules fonctionne dans notre univers, des dommages microscopiques s’accumulent dans l’espace-temps de l’univers opposé. Nos scientifiques se réjouissent de découvrir de nouvelles particules, tandis que des perturbations physiques inexpliquées se répètent dans l’autre univers. Après avoir longuement étudié ces phénomènes, ses habitants découvrent qu’il existe un autre univers symétrique au leur et que les êtres intelligents qui y vivent endommagent continuellement la frontière entre les deux. Nous menons des expériences pour comprendre l’univers. Eux doivent empêcher nos expériences pour préserver leur propre univers. Pourtant, la civilisation de notre univers ignore jusqu’à leur existence. De leur point de vue, il faut éliminer la cause de la catastrophe. Détruire un seul accélérateur de particules ne suffirait pas. Tant que des êtres intelligents existeront dans cet univers et continueront à mener des expériences physiques, le même problème pourra se reproduire. Ils finissent donc par décider d’utiliser leur technologie de contrôle de la frontière entre les deux univers pour éliminer notre univers tout entier.

Sator est un humain engagé pour exécuter ce plan. En échange d’or et de pouvoir, il contribue à achever le dispositif voulu par la civilisation de l’univers opposé. Sa mort devient le dernier signal nécessaire à l’accomplissement du plan. Ce que le film appelle l’algorithme ne serait donc pas une invention à envoyer dans le futur, mais le cœur d’une technologie capable de détruire ou de reconfigurer la frontière entre les deux univers. Contre qui, alors, les protagonistes de Tenet se battaient-ils ? Ils pensaient avoir pour ennemis des humains du futur utilisant une technologie d’inversion du temps pour attaquer le passé. Ils croyaient avoir sauvé le monde en arrêtant Sator et en récupérant l’algorithme. Mais en réalité, ils n’avaient même pas découvert l’identité de leur ennemi. La seule personne qu’ils avaient rencontrée était Sator, un homme engagé par une civilisation venue d’un autre univers. Il n’était qu’un éclaireur déployé à l’avant-poste d’une guerre immense. Les personnages du film pensent avoir remporté la victoire en l’arrêtant, alors qu’ils n’ont pas affronté le gros des forces ennemies, mais seulement un agent placé à leur périphérie. La civilisation de l’univers opposé ne se considérerait pas non plus comme un agresseur. Pour elle, cette guerre ne serait pas une guerre destinée à conquérir un autre monde, mais une guerre destinée à protéger son propre univers. Si elle estime que nos expériences endommagent son monde, elle croira agir en état de légitime défense.

Et il nous reste encore un problème. Si ces êtres affirment que leur univers est l’Univers originel, comment pourrions-nous vérifier cette affirmation ? Si les deux univers sont nés d’une même origine, serait-il possible de déterminer lequel est l’original ? Peut-être seraient-ils eux-mêmes incapables de prouver que leur univers est l’original. Les protagonistes de Tenet croient avoir remporté une guerre contre le futur, mais ils n’ont peut-être fait que repousser la première attaque venue d’un autre univers. Ils ne savent même pas encore contre qui ils se battent.

L’humanité sur Terre continue peut-être, aujourd’hui encore, à faire fonctionner ses accélérateurs de particules sans rien savoir de tout cela.