Mais que savons-nous du cosmos et de l’univers ?

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Tout au long de notre histoire, les concepts et les idées ont toujours changé. Avant la théorie de la relativité, Lord Kelvin, qui est un anglais fort respectable, avait déclaré qu’il n’y avait plus rien à tirer de la physique et que notre savoir sur ce sujet était exhaustif. De tous temps, il y a eu des gens pour affirmer ce genre d’ineptie.

Mais que savons-nous du cosmos et de l’univers ?
(auteur non identifié)


Tout au long de notre histoire, les concepts et les idées ont toujours changé. Avant la théorie de la relativité, Lord Kelvin, qui est un anglais fort respectable, avait déclaré qu’il n’y avait plus rien à tirer de la physique et que notre savoir sur ce sujet était exhaustif. De tous temps, il y a eu des gens pour affirmer ce genre d’ineptie.

Cependant, il y a une chose que le public ignore : la technologie fait des progrès absolument fantastiques. Il suffit de voir l’évolution de l’informatique domestique : nous avons des « computers » de grande puissance, des CD-Rom, etc... Tous les jours, les choses avancent et progressent. Mais, au point de vue de la science fondamentale, on stagne depuis trente ou quarante années et cela, les gens l’ignorent. Les grands progrès des connaissances physiques ont été réalisés entre 1895 et 1932. Les derniers travaux vraiment intéressants sont ceux de Feldman et s’arrêtent à la fin des années 40. Après, on commence à être embêté parce que la physique repose sur l’expérimentation et lorsque qu’on établit une théorie, on aime que l’expérience vienne confirmer celle-ci. Ces choses se sont arrêtées avec la théorie des quarks, de Gell-Mann, lorsque l’on a pas pu isoler les quarks. Là, on peut se demander si nous avons une bonne approche de la physique et de la nature et si nous ne sommes pas perdus au milieu de nos propres rêves.

Au-delà de cette théorie sur les quarks, vous savez peut-être que les américains ont un nouveau projet qu’ils appellent les « superstrings », les super-cordes. C’est un peu difficile d’expliquer la nature de cette approche complexe mais elle a une particularité extraordinaire : elle ne donne aucune observation ni ne permet l’expérimentation. Pourquoi ? Parce que, dans cette conception, on ajoute des dimensions à l’espace-temps. L’espace-temps a quatre dimensions : trois dimensions d’espace et une de temps. Et dans cette théorie des superstrings, on a six dimensions supplémentaires. Dès lors le physicien considère que la nature est comme une sorte de tissu et on ajoute une structure plus intime à ce tissu qui est un objet à deux dimensions constitué de mailles. Alors, le « physicist » dit qu’il veut bien « jouer » avec ces mailles mais comment faire ? Quel est la taille de ces mailles ? En physique, la taille de ces mailles, c’est l’énergie, c’est la longueur d’onde. Or, dans les superstrings, il y a six façons supplémentaires de tisser le réel, six sortes de mailles... Les équations donnent des réponses qui sont très surprenantes. La dimension caractéristique est alors la longueur de Planck, 10-33centimètres. C’est extrêmement petit et si l’on considère cette longueur de Planck comme une longueur d’onde, on peut lui associer une énergie que le physicien doit employer pour réaliser ses expériences sur ces choses. Mais elle est tellement fantastique qu’il faudrait utiliser un accélérateur de particules qui ait la taille d’une galaxie ! Donc, les expérimentateurs, quand on leurs parle de superstrings, ils haussent les épaules et disent : « On reviendra vous voir quand vous aurez quelque chose de plus sérieux à nous proposer ».

Il y eut en, en janvier 1996, un meeting dans le Colorado (NDT : le nom du patelin est incompréhensible), aux Etats-Unis, auquel je me suis rendu et un ami a fait un article dans la revue « Scientific American » parue ce même mois. Vous pourrez donc vérifier ce que je vous dis ici. Cet article montre bien dans quelle situation de désespoir se trouve la théorie quantique moderne. Les gens ne savent plus de quoi ils parlent ! Et lorsque le journaliste demanda à un éminent physicien-théoricien : « Pouvez-vous me décrire la théorie des superstrings en sept mots ? », le physicien répondit : « Oui. Oh God, why you’re forsakken me ? ». Ce qui veut dire, en français : Oh Dieu, pourquoi m’as-tu abandonné ? Cela montre bien l’état d’esprit des théoriciens d’aujourd’hui... La dernière phrase de l’article est, je dois l’avouer, assez grossière car elle se réfère à une parole dite, en guise de conclusion, par le célèbre théoricien, le professeur Susskind : « I personnaly think it’s a lot of crap ! » (Je pense personnellement que ceci est un tas de merde...). C’était la fin du colloque et la nuit commençait à tomber... Mais cette phrase fut publiée dans « Scientific American ».

Vous voyez donc que sur le plan microscopique, les choses sont assez décourageantes. Et au niveau macroscopique, cosmologique, cela ne va guère mieux. On a lancé un télescope spatial, le fameux Hubble, qui parvient à faire des choses fantastiques. Par exemple, il montre combien l’univers est vaste. En effet, il a visé une toute petite région de l’espace qui est grande comme le chat d’une aiguille que l’on tiendrait à bout de bras. Jusque là, on savait que cette petite partie du ciel était tout noire, il n’y avait rien, ni étoile proche ou lointaine, ni galaxie. Et Hubble est resté à regarder dans cette direction pendant 180 heures. Le résultat est que l’on a trouvé, je crois, entre 5 000 et 20 000 nouvelles galaxies se situant entre 2 et 12 milliards d’années-lumière de distance. Donc, Hubble est un instrument tout-à-fait fascinant mais en 1994-1995, ce télescope a donné des résultats qui ont été très déconcertants pour les astrophysiciens.

Vous savez, on a deux façons d’évaluer l’âge de l’univers. On connaît, à peu, près le fonctionnement des étoiles, on connaît la quantité d’énergie qu’elles émettent, on connaît leur masse, on a une idée sur les mécanismes qui servent à produire cette énergie. Donc, à partir de là, on peut évaluer l’âge des étoiles. Et dans des systèmes de la galaxie, appelés des globulic clusters, des amas globulaires, il y a de très très vieilles étoiles qui ont, au moins, quinze milliards d’années. C’est la première façon d’évaluer l’âge de l’univers.

La seconde façon consiste à considérer que l’univers est en expansion et que le contexte est un peu celui qui résulte de l’explosion d’une bombe. Si vous filmez une grenade qui explose et que vous avez une photo qui montre des fragments, le temps de pause vous donne la vitesse des fragments. Vous pouvez ainsi remonter le temps et calculer le moment où la grenade n’avait pas encore explosé, c’est-à-dire le temps qui s’est écoulé depuis l’explosion. Les morceaux de grenade, pour l’astronome, ce sont les galaxies qui se trouvent très loin de nous. Si on peut connaître leur distance et leur vitesse, alors on peut calculer, en fonction d’un modèle, le temps où l’univers venait juste d’exploser selon la théorie en vigueur aujourd’hui, celle du Big Bang.

Mais le problème ne réside pas dans la vitesse, que l’on peut calculer grâce à l’effet Doppler et qui donne, on le pense, une idée assez précise sur la vitesse de fuite des galaxies, si c’est une vitesse de fuite qui donne l’effet Doppler. Mais c’est la distance qui pose problème parce qu’on ne sait pas l’évaluer avec certitude sans connaître avec précision la nature de l’objet qui vous envoie de la lumière. Si vous voyez un phare de voiture et que vous l’avez photographié, on peut calculer la distance à laquelle se trouve la voiture. Mais cela dépend du phare. Est-ce un petit ou un grand phare ? Vous pouvez faire des erreurs considérables sur l’évaluation de la distance du véhicule. On avait donc cherché des galaxies qui se situaient à très grande distance pour avoir la plus grande précision possible. En effet, si on prend les galaxies qui sont proches de nous, elles ont des mouvements turbulents qui n’ont rien à voir avec leur mouvement d’expansion. Par exemple, si vous prenez Andromède, qui est la galaxie la plus visible, elle nous tombe dessus. Elle n’est qu’à 2 500 000 années-lumière et le fait qu’elle tombe sur la terre est essentiellement dû à son mouvement turbulent. Donc, ce sont les lointaines galaxies qui sont intéressantes pour mesurer l’âge de l’univers.

Alors, on a essayé de calculer l’âge de l’univers à l’aide de la loi de Hubble (NDT : la vitesse de fuite d’une galaxie est proportionnelle à sa distance par rapport à la Terre et plus la distance est grande, plus la vitesse de fuite est élevée - la loi de Hubble énonce que cette vitesse est égale à la distance multipliée par une constante dont la valeur est comprise entre 50 et 100 kilomètres par seconde et par mégaparsec valant 3,26 millions d’années-lumière). Vous avez sans doute entendu tout un tas de gens faire des évaluations et des comparaisons sur cet âge de l’univers, sans jamais être très précis. Ceci donna lieu à de nombreuses controverses.

Mais en 1994-1995, le télescope Hubble a fait une chose terrible, il a pu mesurer la distance de galaxies qui se trouvaient à 48 et à 55 millions ’années-lumière. Comment peut-on faire une chose pareille ? Et bien, les distances des étoiles peuvent être mesurées grâce à la méthode du parallax. Pour vous expliquer cette méthode, illustrons notre propos d’un exemple.Vous regardez un objet qui se trouve dans votre pièce et vous fermez un œil, puis vous fermez l’autre et les objets qui sont les plus proches bougent un peu par rapport à ceux qui sont derrière, un peu plus loin. C’est ce qui se passe quand la Terre tourne à l’entour du Soleil : les étoiles qui sont à distance modérée bougent par rapport aux autres qui sont très loin. Et c’est Bessel, un allemand, qui utilisa cette méthode, en 1838, pour effectuer la première mesure précise d’une distance stellaire. Ce ne fut possible que grâce à l’invention de la photographie.

Au 16e siècle, l’astronome danois Tycho Brahe avait fait des mesures sans plaque photographique et il avait conclu que la Terre ne pouvait pas bouger parce que les étoiles ne bougeaient pas. En fait, elles bougent très très peu et on ne peut montrer cela qu’avec la photographie. Mais ça ne donne pas les distances avec grande précision. Dès que l’on dépasse une distance de 100 années-lumière, on commençait à faire de grosses erreurs. Il est impossible, dans ces conditions, d’avoir des résultats fiables pour un milliard d’années-lumière et, donc, le parallax n’est plus efficace. Il ne marche plus.

Mais une compatriote anglaise du début de ce siècle, Miss Andrew Lewitt (?) a trouvé que certaines étoiles variables, les céphéides, avaient une fréquence qui était directement liée à la quantité de lumière qu’elles émettaient. Dès lors, comme elle pouvait mesurer la distance de certaines céphéides en recourant à la méthode du parallax, Miss Lewitt a donné un système d’étalonnage. Ainsi, on pouvait évaluer la distance d’une céphéide simplement en mesurant sa période, c’est-à-dire le temps de variation de sa lumière. Si une céphéide avait une certaine période, alors elle émettait une quantité de lumière que l’on connaissait et que l’on mesurait une autre quantité de lumière et que la puissance lumineuse varie comme l’inverse du carré du rayon de la distance à l’étoile, alors on pouvait connaître la distance à l’étoile. (NDT : ce paragraphe n’est pas clair)

Et c’est comme ça que Hubble a montré qu’Andromède était une galaxie qui se trouvait à plusieurs millions d’années-lumière parce qu’il a trouvé une céphéide dans « Andromeda ». C’est ainsi que, pour la première fois en 1920, nous avons su que les galaxies se trouvaient en dehors de la Voie Lactée, beaucoup plus loin. Ce monsieur Hubble avait une telle capacité d’observation qu’il a pu trouver des céphéides dans ces deux galaxies, respectivement à 48 millions d’années-lumière et 55 millions d’années-lumière. Le résultat a été terrifiant : ces galaxies étaient deux fois plus proches que l’on pensait. On se trompait complètement sur les distances des galaxies ! Et une incidence de cette découverte a été que l’univers avait seulement huit milliards d’années. Il était donc beaucoup plus jeune que ce que l’on avait estimé jusque là.

A ce sujet, la revue « Nature » a publié un article qui disait que, désormais, il allait falloir réfléchir car rien n’allait plus : un univers de 8 milliards d’années ne peut pas contenir des étoiles qui sont âgées de 15 milliards d’années !

Vous voyez que nous vivons une époque particulièrement intéressante parce que nous rencontrons des problème avec la physique des particules, où on ne comprend plus rien du tout, et il y en a d’autres en cosmologie où l’on ne comprend plus rien du tout non plus !

Mais il y a un modèle qui a été imaginé en 1931 par Mr ... (?), celui de la supernova. La supernova est une étoile de très forte masse qui explose en laissant un petit objet qui est une étoile à neutrons. Jusqu’ici, on a trouvé entre 200 et 300 étoiles à neutrons qui émettent des rayonnements radio-électriques et, autour, il y a tous les débris de la supernova que l’on peut aussi photographier. Et en 1987, on a pu observer dans de très bonnes conditions, une supernova qui se situe dans le nuage de Magellan. Les astronomes , et surtout les radio-astronomes, ont cherché l’étoile à neutrons qui devait rester. Mais là, surprise, il n’y a pas d’étoile à neutrons, il n’y a pas d’émission... Tous les jours, les astronomes rencontrent des problèmes.

Autre chose, à présent. On reçoit, une fois par jour, en moyenne, des flashes gamma, des émissions de rayons gamma extrêmement violentes et on ne sait pas pourquoi. On ne sait pas comment marchent les quasars. On ne sait pas pourquoi les galaxies n’explosent pas. Vous savez sans doute que nous vivons dans une galaxie que l’on appelle la Voie Lactée. C’est un ensemble de 200 milliards d’étoiles dont notre soleil qui est une étoile relativement moyenne au sein de cette ensemble, et la galaxie tourne. Donc, les étoiles subissent la force centrifuge. Normalement, pour que notre galaxie soit équilibrée, il faut qu’il y ait suffisamment de force gravitationnelle pour retenir les étoiles. Or, on sait depuis longtemps que la galaxie tourne trop vite. Elle devrait exploser mais elle n’explose pas... Le soleil aurait dû partir avec nous depuis des milliards d’années. Tout cela est assez gênant pour les astrophysiciens.

Ensuite, les galaxies ont une certaine façon de tourner : elles tournent beaucoup trop vite à l’extérieur. On a aucun modèle théorique pour décrire une galaxie. On ne sait pas comment elle se forme, on ne sait pas comment elle tourne, bref, on ne sait pas comment elle fonctionne. Aujourd’hui, les théoriciens sont obligés d’utiliser des concepts comme la « dark matter », la matière sombre. Et tous les phénomènes cosmologiques et physiques actuels s’expliquent avec des idées, des concepts que l’on ne peut ni observer ni expliquer. Ces choses sont purement spéculatives. La galaxie n’explose pas parce qu’il y a de la matière sombre. La structure spirale des galaxies se forme parce qu’il y a de la matière sombre.

L’univers, à une très grande échelle, a une forme d’éponge. On a découvert cela, il y a une vingtaine d’années. La seule explication envisageable pour l’instant, c’est qu’il y a deux sortes de matière sombre : la froide et la chaude. Alors, je vais vous dire mon sentiment. Je pense que dans le domaine de la science, actuellement, pour ce qui est de l’astrophysique et de la cosmologie, c’est un peu comme au temps où l’on pensait que le mercure montait dans les thermomètres parce que la nature avait horreur du vide ! On se sert souvent de choses qui sont complètement hypothétiques.

Ensuite, au niveau des particules élémentaires, cela me rappelle aussi l’époque de Ptolémée quand celui-ci décrivait les trajectoires des planètes autour du soleil avec des combinaisons de cercles, avec des épicycles, parce que la trajectoire de Mars, de Vénus et de toutes les planètes ne fonctionnait pas avec un système circulaire. Donc, il fallait combiner des cercles avec un mécanisme incroyablement complexe. Et lorsque Copernic apporta la fin de cette idée, et Keppler par la suite, ils ont calculé la trajectoire des planètes avec 48 cercles. Et, actuellement, il y a des gens qui se demandent si la physique des particules ne sont pas un peu les épicycles de Ptolémée. C’est une chose très « vicious » parce que les épicycles de Ptolémée marchaient très bien. A chaque fois qu’il y avait un petit écart par rapport à la théorie, il ne restait qu’à rajouter un cercle et la théorie remarchait. Nous, nous rajoutons des particules à l’infini pour décrire les choses. Alors, ou il y a une infinité de particules élémentaires, ce qui est en-soi un peu absurde, ou alors, on appréhende les choses sous un mauvais angle, on a une mauvaise vision de la Nature. Ce ne serait pas la première fois qu’une telle chose arrive puisque la mécanique quantique a déjà changé les choses profondément.

Avant notre siècle, certaines personnes ne pensaient pas que les atomes pouvaient exister. Il en est ainsi pour le chimiste français Marcellin Berthelot, qui inventa la thermochimie, lorsqu’il fit cette déclaration : « Je ne peux pas croire en des choses que je ne vois pas ». Ensuite, Rutherford a montré que les atomes existaient. On croyait alors que c’était des petites billes très dures. Puis arriva la mécanique quantique qui démontra encore autre chose : cela pouvait être aussi des ondes. Mais nous sommes peut-être encore loin de la vérité. Il y a les particules, il y a les ondes mais il y a peut-être quelque chose d’autre que nous allons trouver dans 10, 20 ou 30 années... C’est simplement le destin de l’Histoire des Sciences d’être en perpétuelle mutation, de changer continuellement. Donc, on ne peut pas conclure sur des situations présentes avec la science actuelle parce que la Science future donnera sans doute des explications différentes de celle d’aujourd’hui. Tous les raisonnements qui sont basés sur les modèles cosmologiques standards, sur la structure « standard » de l’univers, ne sont pas valables parce que, tout simplement, ils ne fonctionnent pas.

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