LEVEE D’ASTRES DANS LE CIEL DE LA CONNAISSANCE

Michel Cassé

Service d’Astrophysique (CEA Saclay) Institut d’Astrophysique de Paris

Peinture Eric Graër

ture, le ciel, les étoiles cherchent à nous dire ? Certainement des choses bouleversantes, mais encore faut-il les entendre. Mon propos ici est, revenant au fondement, d’apprendre à faire la différence entrer la flûte douce des équations, et un solo de batterie, un rock et un menuet conceptuels, ou, pour ceux qui n’ont pas la finesse d’oreille requise, d’apprendre à lire sur leurs lèvres. Calmes, elles disent la transparence du monde. Ecumantes pythies, elles profèrent des révélations. L’universel, c’est la science qui le fonde. L’éternel est dans les lois de la physique. Mais ce qui est universel n’est aimé et connu que du plus petit nombre. Je veux lutter contre l’analphabétisme physico - mathématique, source de tous les intégrismes qui étouffent le feu véridique de l’équation sous des seaux d’illusions métaphysiques et religieuses.

L’information ne fait pas défaut, mais la compréhension laisse pour le moins à désirer, si j’en crois ce que j’entends autour de moi, hors des cénacles physiciens. Toutes les expériences de physique qui comptent dans ce monde disposent désormais d’un site Internet (WMAP, ainsi que les grands instituts de recherche et les observatoires par le monde (IAP, CEA, NASA, ESO, ESA....). D’excellents exposés de mécanique quantique et de physique en général, sont disponibles, (Polytechnique, Centrale....) ainsi que de cosmologie (Wright) et Physique des particules (CERN, IN2P3,) agrémentés de schémas colorés et d’animation. On en trouvera la liste en fin d’ouvrage. Il n’est pas question de rivaliser pédagogiquement avec ces instruments précieux de divulgation souvent forgés par des équipes entières. Mais qui les lit ? qui en fait cas, et dans le fond, qui veut encore comprendre ?

Je veux, par la démonstration, vous convaincre du pouvoir extrême des concepteurs d’équations, des forgerons de formules, ceci à des fins purement démocratiques, car, si en raison de l’abêtissement collectif, l’analphabétisme équationnel s’étend, le pouvoir sera confiné dans les seules mains de ceux qui savent lire et s’exprimer dans le langage de la nature et non de l’artifice, à savoir la physique écrite en symboles mathématiques.

Il s’agit donc, dans la forme, d’une mise en scène équestre des équations que l’on se prend à désirer chevaucher. Je veux éviter dans cette entreprise tout paralogisme et vertige de l’esprit. Le propos est de donner à méditer et non d’étonner. La physique est une conquête de la pensée car penser c’est donner un sens aux choses. Le but de la physique théorique n’est pas seulement de décrire le monde tel que nous l’éprouvons, mais d’expliquer pourquoi le monde est tel qu’il est. Pourquoi le ciel de nuit est-il noir ? Pourquoi la gravité est-elle si faible qu’un modeste aimant suffit à lui ravir une épingle ? N’est-ce pas une question que tout le monde se pose ?

Elévation cosmique

Monture qui porte le cœur vers l’origine, par delà le ciel, rien n’est plus précieux au monde qu’un modèle cosmologique. Attelage ailé, il nous conduit par monts et par vaux dans l’espace-temps et nous fait voir des pays d’origine et des actes fondamentaux de création, des naissances de galaxies et d’univers. Dans le gîte même du cosmos, il y a des êtres qui le pensent et le mesurent. Ils vivent au temps béni où les modèles d’univers primordial peuvent être enfin véritablement corsetés par des données d’observation. Et celles-ci, nettement indiquent un état de grâce, d’élévation, où l’envol l’emporte sur la chute. Univers vole ! Ce livre fait son miel de la force de l’envol. D’un romantisme exquis, délicieusement philosophique, la cosmologie fait figure de dernière aventure du siècle, mais il s’agit bien d’une science, avec tout ce que comporte cet exercice, tout à la fois de formel et d’humain, et surtout de respectueux vis-à-vis de la stricte observation. Et l’observation nous dit que nous ne sommes aucunement au centre du monde et que tout centre est illusoire. Vraiment ?

Jusqu’où peut-on pousser l’objectivité, la dépersonnalisation, la lutte contre tout anthropomorphisme, égocentrisme, géocentrisme ? Après avoir déclaré la guerre au centre (du monde), jusqu’où peut-on la mener sans susciter un autre centre sous la forme d’un principe abstrait autour duquel tout gravite ? Le grand principe d’unification devient alors le pivot de la compréhension du monde. Irréfragable certitude qui relève, à tout prendre, d’une vision monothéiste. Le UN n’est plus situé, le un n’est plus le trône, c’est l’esprit du monisme. La doxa théorique du moment puise pourtant à deux sources, la physique des particules avec ses cohortes de quarks, leptons et bosons, et la cosmologie, sauvage en apparence, mais sujette et soumise à la relativité générale. Qui vaincra ce dualisme ?

Universel pluriel

La vielle, l’usée, la corrompue, c’est la Terre. Le cosmologue la fuit depuis qu’il a entendu dire qu’on y meurt. Le Ciel ne pose aucune limite à ses aspirations. Il ère dans le ciel d’un objet céleste à un autre s’abîmant dans un trou noir, se régénérant dans la violence créatrice d’une supernova. Il répare ses forces dans la splendeur du big-bang, aube cosmique. Le noir n’est plus l’absence, le vide n’est pas synonyme de néant. Il découvre l’altérité cosmique et la pluralité des univers. Il est amené à appeler Univers l’ensemble des cosmos (Univers majuscule, cosmos minuscule). Qu’est-ce alors qu’un cosmos. Un cosmos se définit (1) par le nombre et la topologie de ses dimensions (le notre, en apparence dispose de trois dimensions droites et en expansion) (2) son contenu « matériel » (le notre est composé de quarks et leptons) (3) les forces qui organisent les rapports inter- particules (le notre est régi par quatre interactions distinctes, forte, faible, électromagnétique et gravitationnelle, qui n‘en faisaient peut-être qu’une au départ).

Commencement new-look

Chaque cosmos naît. Il y a tant de beauté dans ce qui commence ! Notre tour de pensé consiste à mettre des colliers de roses aux temps anciens et à voir des aubes dans le passé et des matins. Les premiers matins du monde ne peuvent être que radieux. Mais le commencement absolu et auroral est une notion du sens commun, un préjugé, une croyance. Aussi, la grossière compréhension du commencement par l’opinion se voit contredite par les mentors quantiques dont Planck, symboliquement est le porte drapeau. Le modèle moderne et physique du commencement n’est plus vide et pur. Obscène, il est plein et turbulent, chaotique, comme hurlant, grimaçant, incohérent, inepte et dément. Bref, le commencement est laid , comme la naissance.

Remous et éternité

La science, dit Paul Valéry, cherche le mouvement perpétuel, elle l’a trouvé, c’est elle-même. Dynamique est son modèle. Le cosmos (notre part d’univers) est en expansion et en transformation. L’évolution la plus grandiose est celle de la géométrie et de la température : l’histoire de notre univers est celle d’un refroidissement induit par l’extension permanente de l’espace. Dans la chaleur du commencement, tout est un, indistinct, sable. Les choses sont indistinctes, donc les choses n’existent pas. Au fil de l’attiédissement se brisent les symétries, les identités, les unités. Les fractures se produisent en séquence sous l’effet réfrigérant de l’expansion de l’espace : particules et forces se spécialisent et affectent des comportements de plus en plus spécifiques. L’écartèlement doublé d’un rafraîchissement, provoque une scission du tout. La gravitation, force organisatrice par excellence, compacte et travaille les fragments et les structure progressivement se constituent. La silice élémentaire de l’univers se métamorphose en verre ouvragé. Chaque tesson du vase brisé se fragmente à son tour : des îles de matière (galaxies) parsèment l’univers, dont chacune abrite toute une faune d’astres et de nuages. Chaque galaxie évolue pour son propre compte, sous l’effet des naissances d’étoiles dans les nuages interstellaires et de leur explosions fertilisante (supernovae). Les nuages éclatent, bourgeonnent, battent de l’aile. Au beau milieu de ce tohu-bohu, l’étoile s’entête à briller, à instaurer un ordre intérieur, un feu, un travail, une œuvre. Elle brille parce qu’elle transmute les éléments. En son cœur la matière simple se transforme en lumière et matière plus complexe, dans un élan inverse à celui du big-bang, où la lumière s’est métamorphosée en matière (et en antimatière).

Les flux et reflux permanents de la lumière et de la matière, les brisures de symétries, les transitions de phases, bref l’évolution manifeste de l’univers ne peut cependant occulter qu’il y de l’éternité latente dans l’univers et dans la science : les calmes et solennelles lois. Les lois du changement ne changent pas, du moins en première approximation.

Peinture Eric Graër

Modestie cosmique

En vérité, le faux vide est un véritable explosif. Ici, en l’occurrence, ses deux manières d’être sont l’extension, l’écartèlement et la sublimation au bénéfice de la lumière, de la matière et de la chaleur, ou plus exactement la transfiguration par désintégration interposée. Le volume total d’espace rempli de vide excité enfle et s’étend plus vite qu’il ne se désexcite. Si bien que les bulles sont toujours majoritaires dans l’espace global. Aussi longtemps que subsiste le vide excité, l’Univers double de volume en des périodes égales de temps. Lorsque le faux vide, localement se désintègre, se sacrifie, en quelque sorte, laissant la royauté à la matière, l’expansion ralentit car la pression négative tombe, l’énergie se thermalise, la bulle se réchauffe : un big-bang paraît. Tandis que le faux vide se désintègre dans une bulle de l’espace, créant un nouveau cosmos, l’espace restant, où le faux vide est intact, continue à s’étendre exponentiellement en fonction du temps, permettant l’éclosion d’autres bulles et toujours d’avantage.

Dans une bulle donnée, les fluctuations quantiques du champ inflaton sont susceptibles de faire éclore une nouvelle bulle, qui se prendra elle-même d’inflation, et ainsi de suite. L’Univers écume de rage créative. Ce scénario est appelé inflation éternelle. Aux endroits où le vide excité perd son excitation en recouvrant la paix d’un état de très basse énergie, les big - bangs se produisent. Rien ne limite leur nombre. Mais, isolés les uns des autres, séparés par des régions en expansion supraluminiques où subsiste le faux vide, qui se dilate férocement, ils paraissent uniques à leurs rejetons et plat, étonnamment plats, d’énergie nulle.

Nul

Nous vivons donc dans un cosmos d’énergie totale (cinétique + potentielle) nulle. Et ceci nous le devons à l’inflation, car c’est elle qui a aplatit (aplanit) l’espace. Mais dans la vison énergétique de la cosmologie une courbure nulle signifie énergie nulle.

Médiocre

Nous existons probablement dans le type de cosmos le plus commun. Mais si les univers sont multiples et en nombre infini, la probabilité n’est pas nulle qu’existe quelque part un être qui me (vous) ressemble en tous points. Nous parlons de pensée lorsqu’il y a position du sujet. Où est moi ? Où le sujet se pose-t-il ? Ne pouvant se poser, il vole. Il erre, tête perdue, ne sachant dans quel cosmos il se trouve. Dans le bouquet des cosmos de nombreuses fleurs sont identiques. Comment calculer la probabilité d’un cosmos de propriétés données, bel et bon, hospitalier à la vie, vaste, susceptible d’atteindre un grand âge, donnant naissance à des étoiles en nombre considérable...etc... ? Certains si emploient avec un succès mitigé. Lorsque qu’ils parviendront à une solution claire, je ne manquerai pas de vous en avertir. La question est épineuse, et je n’ai plus à cœur de sourire car pour évaluer l’histoire d’un cosmos il faut dès l’abord commettre un acte répugnant, débiter l’espace-temps en tranches, pour désigner sa flèche, ceci pour la nécessité de la narration, du discours, de l’analyse historique. Trancher dans le lard de l’espace-temps me navre. Car fixer un cours du temps, c’est se mettre en demeure de le remonter jusqu’à l’origine, au temps zéro, où tout se résorbe dans rien : un point c’est tout. L’idée de l’abolition du tout est aussi absurde que celle d’un cercle carré. Pareillement celle de l’apparition d’icelui. Pour celui qui ne découpe pas l’espace-temps, il n’y ni origine, ni évolution. L’univers ne fait plus d’histoire. Souffrez pourtant madame que je tranche...

Cosmologie new-look

L’édification de la relativité générale par Einstein a rendu possible la discussion de la structure de l’espace-temps et de l’évolution de l’univers en terme de lois physiques1 Les paramètres cosmologiques sont désormais mesurés avec une remarquable précision (grâce notamment au satellite WMAP). La question se pose alors d’expliquer leurs valeurs précises. Sont-ce les valeurs les plus probables d’un ensemble d’univers ? Le Principe Anthropique, ni principe, ni anthropique, d’ailleurs1 peut être invoqué pour faire valoir l’idée qu’un nombre élevé de cosmos existe, dans lesquels les « forces de la nature » ainsi que les masses des particules, etc... prennent des valeurs différentes.

Incomplétude cosmologique

En dépit de ses avancées spectaculaires, la cosmologie n’est pas complète. Les problèmes en attente de solution sont les suivants : Quelle est la source réelle de l’inflation ? Quel est l’état de l’univers avant l’inflation ? La singularité initiale peut -elle être évitée ?

Du point de vue théorique pléthore de travaux essaient de construire un modèle viable de l’inflation fondé sur les théories des supercordes et de supergravité. Fort heureusement nous commençons à disposer de données d’observation de haute précision qui, nous l’espérons, ouvrirons notre compréhension sur la vraie nature de l’inflation. Il est encourageant de voir que les modèles de l’univers primordial peuvent être corsetés par des données d’observation. Cette période exaltante ne touche pas à sa fin.

Ultimité provisoire

Peut-on imaginer que l’on puisse jamais entrer en possession des principes ultimes qui ne trouveraient aucune explication en termes plus féconds ? Nombreux sont ceux qui pensent que les choses sont infinies en profondeur, et je suis de ceux-ci, et tiennent pour acquis que nous trouveront une chaîne sans fin de principes toujours plus fondamentaux. Ultime n’est pas le dernier mot. D’autres parlent de théorie de Tout. Ils utilisent la parabole suivante pour appuyer leur démonstration. Les explorateurs arctiques du siècle dernier rencontraient devant eux toujours plus de mer et de glace, et ils pouvaient supposer qu’il en serait indéfiniment ainsi, jusqu’à ce que l’on découvre le pôle Nord. De même nous errons dans le désert théorique glacé.

Personne n’a encore découvert la théorie fondamentale, polaire, ultime et définitive, ce qui ne veut pas dire qu’elle n’existe pas. Chaîne infinie de principes de plus en plus profonds ou théorie synthétique bornée : laquelle a perdu le Nord ?

Peinture Eric Graër