Certaines questions arrivent tard le soir, et mal posées. Celle-ci est sortie à peu près ainsi : si l’univers a commencé, pourquoi a-t-il commencé avec quelque chose qui restait à se produire ? On dirait une phrase de deuxième verre, et j’étais prêt à l’oublier. Puis j’ai découvert que les physiciens en posent une version plus précise, noir sur blanc, et que cette version reste ouverte.

L’image habituelle de l’entropie comme désordre rend la question naïve. L’univers a commencé chaud et dense, il a donc dû commencer en désordre, et le désordre n’a pas besoin d’explication. Mais l’univers primitif n’était pas désordonné au sens qui compte. Il était presque parfaitement lisse, et dans un univers gouverné par la gravité, le lisse est un état très improbable. L’énigme n’est pas de savoir pourquoi l’entropie est partie de zéro : elle n’est pas partie de zéro. L’énigme est de savoir pourquoi l’univers a commencé si loin de l’équilibre, avec tant de marge pour que l’entropie croisse.

I. Le commencement lisse

Sur la tombe de Ludwig Boltzmann, au cimetière central de Vienne, une seule formule : S = k log W. L’entropie compte le nombre d’arrangements microscopiques qui se ressemblent vus de l’extérieur. Un gaz réparti uniformément dans une boîte a une entropie énorme, parce que presque n’importe quel arrangement de ses molécules ressemble à un gaz réparti uniformément dans une boîte. C’est pourquoi les gaz se dispersent et ne se regroupent pas dans un coin.

La gravité renverse l’intuition. Pour une matière qui s’attire elle-même, la répartition égale est l’état instable, et l’avenir probable est l’agrégation : étoiles, galaxies, et finalement trous noirs, qui contiennent plus d’entropie que tout ce que nous connaissons. Le fond diffus cosmologique, libéré environ 380 000 ans après le Big Bang, montre une matière répartie à une partie sur cent mille près. Chaude, oui. Mais, du point de vue gravitationnel, elle avait à peine commencé à se rassembler, ce qui veut dire qu’elle se trouvait tout en bas de l’entropie dont elle disposait.

Roger Penrose a passé des décennies à rendre ce point impossible à ignorer. Dans « Before the Big Bang » (2006), il estime l’entropie qu’aurait l’univers observable si toute sa matière s’effondrait en un seul trou noir, et en déduit la probabilité de commencer aussi lisse que le nôtre par hasard : une sur dix puissance dix puissance 123. Son hypothèse de la courbure de Weyl nomme la condition, des degrés de liberté gravitationnels éteints au départ, sans dire pourquoi elle a tenu.

II. La flèche est une condition aux limites

Nous nous souvenons d’hier et non de demain. Un verre se brise ; les éclats ne remontent pas sur la table. La loi qui le dit est née en France, dans les Réflexions sur la puissance motrice du feu (1824), où Sadi Carnot, en étudiant les machines à vapeur, montra qu’on ne tire du travail de la chaleur qu’en la laissant descendre du chaud vers le froid. Arthur Eddington appela cette direction « la flèche du temps » dans The Nature of the Physical World (1928), et il insistait sur ce point : la flèche ne vient pas des lois. Les équations de Newton, celles de Maxwell, celle de Schrödinger fonctionnent encore quand on les déroule à l’envers. Josef Loschmidt l’objecta à Boltzmann dès 1876. Si chaque collision peut être inversée, comment des lois réversibles pour chaque molécule peuvent-elles produire une loi à sens unique pour un grand nombre ?

La réponse qui a survécu est qu’elles ne le peuvent pas, à elles seules. L’entropie croît vers le futur parce qu’elle était plus basse dans le passé, et ce fait est une donnée d’entrée, non un résultat. Richard Feynman le disait sans détour dans ses Messenger Lectures à Cornell, publiées sous le titre The Character of Physical Law : il faut ajouter aux lois physiques l’hypothèse que, dans le passé, l’univers était plus ordonné qu’aujourd’hui. Le philosophe David Albert a ensuite donné un nom à cet ajout, l’hypothèse du passé. La mémoire, la cause et l’effet, l’impossibilité de revenir en arrière dont j’ai parlé en mai : tout dépend d’une condition aux limites que les lois elles-mêmes ne fournissent pas.

III. La première image qui n’existe pas

Le commencement nous pousse à imaginer un film. Il y a une première image et, avant elle, une amorce de pellicule vierge, et la question serait de savoir ce qu’il y avait sur la bobine avant que le projecteur ne démarre.

Le temps de Planck, environ 5,4 × 10⁻⁴⁴ seconde, nourrit cette image, parce qu’il ressemble à la durée de cette première image. J’ai moi-même contribué à la confusion. Dans un billet de janvier 2025, j’écrivais que le temps de Planck fixe la limite inférieure des intervalles de temps mesurables. C’est le raccourci des manuels, et il en dit trop. Le temps de Planck est une échelle construite à partir de trois constantes, le point où les effets quantiques et la gravité devraient compter ensemble et où nos deux meilleures théories, employées conjointement, cessent de donner des réponses fiables. Il marque l’endroit où la description échoue, non un battement d’horloge cosmique, ni l’heure de la création.

Augustin avait vu le piège il y a seize siècles. Dans les Confessions, il rapporte la réponse moqueuse à « que faisait Dieu avant de créer le ciel et la terre ? » (il préparait l’enfer pour ceux qui posent ces questions) et refuse de s’en servir. Sa propre réponse, dans La Cité de Dieu, est que le monde n’a pas été fait dans le temps mais avec le temps. Le chanoine belge Georges Lemaître, qui proposa en 1931 l’atome primitif, répondait justement à Eddington, qui trouvait un commencement « répugnant ». Sa note à Nature se clôt sur une phrase qui frôle le paradoxe : le commencement du monde aurait eu lieu un peu avant le commencement de l’espace et du temps. Stephen Hawking rejoignit la position d’Augustin par un autre chemin. Dans la proposition sans bord élaborée avec James Hartle en 1983, demander ce qu’il y avait avant le Big Bang revient, disait-il, à demander ce qu’il y a au sud du pôle Sud.

L’analogie aide jusqu’au moment où elle prétend trancher la physique. La proposition sans bord est un modèle parmi d’autres, et la gravité quantique reste inachevée. Le pôle Sud nous dit que la question pourrait être mal posée. Il ne nous dit pas qu’elle l’est.

IV. Trois questions, tenues à part

Il faut séparer ce que le mot « commencement » confond. La première question porte sur ce que décrit le modèle du Big Bang chaud. Ici, la réponse est solide : à partir d’une fraction de seconde, le modèle prédit les éléments légers forgés pendant les premières minutes, le fond diffus et la structure à grande échelle issue de ses petites ondulations, et les prédictions concordent avec l’observation.

La deuxième question porte sur ce que signifie dire que le temps a commencé. Celle-là est prise dans une physique non résolue et dans ce que nous entendons par temps, et la réponse honnête est que personne ne le sait.

La troisième question est de savoir pourquoi l’univers primitif se trouvait dans un état d’entropie si basse. C’est la frontière dure. La cosmologie peut suivre avec une grande précision les conséquences de l’hypothèse du passé (les étoiles, la chimie, la direction de la mémoire) sans pouvoir la dériver de quoi que ce soit de plus profond. L’inflation a été proposée, un temps, comme explication. L’objection de Penrose est qu’elle exige elle-même des conditions initiales particulières, et qu’elle recule donc l’exception d’un pas au lieu de la supprimer.

V. Déplacer le commencement

D’autres propositions le reculent davantage. La cosmologie cyclique conforme de Penrose, exposée pour le grand public dans Cycles of Time (2010), fait de la fin froide et raréfiée d’un éon le début lisse du suivant. Sean Carroll et Jennifer Chen ont proposé en 2004 que des univers-bébés bourgeonnent à partir d’un fond de haute entropie, chacun avec sa propre flèche ; le livre de Carroll, From Eternity to Here, en raconte la version longue. Boltzmann lui-même avait supposé que notre région pouvait être une fluctuation rare au sein d’un équilibre éternel, et cette hypothèse survit surtout comme avertissement : une fluctuation aléatoire a bien plus de chances de produire un seul cerveau doté de faux souvenirs qu’un univers entier au passé cohérent.

Ce sont des idées sérieuses, travaillées mathématiquement, et certaines font des prédictions. Aucune n’est tranchée. Et chacune porte la dette même qu’elle devait régler : un rebond doit expliquer pourquoi le rebond remet l’entropie à zéro ; un multivers doit expliquer le fond dont il bourgeonne. Reculer le commencement ne solde pas le compte.

Rien de tout cela ne veut dire que la science ne sait rien, ni que la lacune soit une place libre pour la métaphysique qu’on préférait déjà. Le malaise est plus exact. Nous avons reconstitué treize milliards d’années à partir d’une lumière ténue et du rapport entre l’hélium et l’hydrogène, et nous ne savons toujours pas pourquoi la frontière a été tracée de telle sorte qu’une histoire orientée puisse avoir lieu. L’univers n’est pas parti de zéro. Il est parti d’une différence, entre ce qu’il était et ce qu’il pouvait devenir, et cette différence, nous l’appelons un avant et un après.

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