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Et le big bang fit tout exploser

vendredi 11 septembre 2009, par Xavier Lacavalerie

Longtemps les trois articles publiés par Albert Einstein en mars 1905 dans la revue Annalen der Physiks ont semé le trouble dans la communauté scientifique. Une petite équation surtout, que tout le monde connaît, même les plus ignares en physique : la fameuse équation E = mc2, posant l’équivalence entre la masse d’une étoile et son énergie. Car, désormais, l’astronomie obli­ge à comprendre des phénomènes qui se déroulent à l’échelle de l’infiniment petit – celle du noyau de l’atome, de l’ordre de 10-14 mètre –, en particulier la source d’énergie des étoiles, découlant de processus se produisant dans l’intimité mê­me de la matière. Et, dans cette matière, on découvre de drôles de choses : d’abord, que l’atome est une sorte de système solaire en miniature, avec des particules (les électrons, chargés négativement) tournant autour d’un noyau central, lui-même formé de grains de matière neutre (les neutrons) ou bien chargés positivement (les protons).

A cette découverte, parachevée en 1913 par le physicien danois Niels Bohr (1885-1962), il faut désormais joindre les effarantes conclusions de l’Allemand Werner Karl Heisenberg (1901-1976), l’un des grands fondateurs de la mécanique dite « quantique », concernant l’infiniment petit, pour qui toutes ces particules ne sont pas des billes de matière, mais se présentent plutôt comme des sortes de nuages presque immatériels, dont il est impossible de connaître en même temps la vitesse et la position ni de prédire la moindre trajectoire, toujours aléatoire, qui relève… d’un simple phénomène statistique !

En 1915, Einstein expose l’une des thèses
les plus révolutionnaires de la physique
du XXe siècle, la relativité « générale ».

La théorie de la relativité « restreinte » ne pouvait satisfaire Einstein. Certes, il avait débarrassé la physique du fameux « éther » et enfilé quelques jolies équations et trouvailles mathématiques sur le mouvement, la lumière ou l’énergie. Mais il rêvait d’une théorie plus complète, généralisant et radicalisant le principe de la relativité. Au début du mois de novembre 1915, devant ses nouveaux collègues de l’Académie des sciences de Prusse, souvent hébétés, choqués ou carrément admiratifs, il expose l’une des thèses les plus révolutionnaires de la physique du XXe siècle, la relativité « générale », modifiant radicalement notre conception et notre appréhension de l’Univers.

Einstein est en effet arrivé à plusieurs conclusions incroyables. D’abord, que l’espace n’est pas du tout ce que l’on croit : ce sont les objets qui agissent sur lui – planètes, étoiles, galaxies – et le courbent, à la manière, si l’on veut, d’un morceau de tissu déformé par de lourdes billes de plomb posées dessus. Ensuite, qu’il n’existerait pas sans les corps célestes qui s’y trouvent. Troisièmement, qu’espace-temps et matière sont indéfectiblement liés : aux trois dimensions connues de la géométrie classique (longueur, largeur, hauteur), il faut désormais en ajouter une quatrième, plus difficile à appréhender : le temps. Einstein arrive même à cette conclusion effarante, tellement effarante qu’il la refuse de toutes ses forces (1) : sous l’effet de la présence de la matière, l’Univers doit être soit en contraction, soit en expansion permanente ! Mais pour lui, à l’époque, cela n’a aucun sens. L’Univers isotrope (c’est-à-dire dont les propriétés ne dépendent pas des directions, définitivement abolies) et isomorphe (qui est partout identique) ne peut qu’être statique et éternel. « La plus grande erreur de ma vie », commentera-t-il plus tard…

En 1927, Lemaître défend l’idée d’un Univers
en expansion et la théorie d’un « atome primitif »,
à partir duquel tout aurait explosé.

Heureusement, un pur génie de la cosmologie moderne, un chanoine belge catholique et néanmoins astrophysicien nommé Georges Lemaître (1894-1966), interprète correctement le travail d’Einstein. En 1927, dans un article publié dans les Annales de la Société scientifique de Bruxelles, il défend l’idée d’un Univers en expansion et la théorie d’un « atome primitif », à partir duquel tout aurait explosé, thèse que ses détracteurs – ils étaient nombreux, à l’époque – ont tournée en dérision en parlant de « big bang » (« gros boum »), expression qui fit fortune. Pour la petite histoire, rappelons qu’il envoya dans les cordes Sa Sainteté le pape Pie XI, pressé d’identifier le « big bang » avec le « Fiat lux » biblique dans un même geste, en lui demandant de bien séparer la science et ce qui relève de la foi…

Une première confirmation expérimentale de cette nouvelle théorie défendue par Lemaître sera apportée quelques mois plus tard, grâce à Edwin Hubble (1889-1953). Outre sa découverte de l’existence de nombreuses galaxies en dehors de notre Voie lactée, dont il donnera une rigoureuse classification par types, le physicien américain analyse longuement la lumière en provenance de certaines galaxies : il constate que leur spectre lumineux est en constant décalage vers le rouge, ce qui indique, au nom du bon vieil effet Doppler (2), qu’elles fuient en s’éloignant de celui qui les observe.

Si l’Univers est en perpétuelle expansion, on peut donc récrire le scénario de son évolution à l’envers et remonter, par différentes étapes, à l’époque de la création de la Terre et du système solaire, de la formation des galaxies ou des premières étoiles. Ou, plus loin encore, au moment où l’Univers est devenu visible, quand il était colossalement chaud (des milliards de milliards de degrés) et terriblement dense, vers… moins d’une seconde après l’explosion initiale, quand il mesurait 10-33 centimètre, la plus petite taille que l’on puisse trouver dans l’Univers, comme nous l’a démontré le physicien allemand Max Planck (1858-1947), spécialiste du monde quantique...

Alors, triomphante et toute-puissante, la cosmologie moderne ? Que non, que non… Il reste tellement de questions en suspens ! D’abord, le fait que nos trois physiques – la relativité (à l’échelle de tout l’Univers), notre bonne vieille physique classique (à l’échelle de la Terre et du système solaire) et la mécanique quantique (à l’échelle de l’infiniment petit) – sont, pour l’heure, incompatibles. Même si force est d’admettre que tout se tient dans l’Univers, que l’écran sur lequel vous lisez ce texte en ce moment n’est pas en train de se désintégrer, qu’il ne s’éloigne pas de vous.

Il s’agit donc d’harmoniser ces trois physiques dans un nouveau cadre que l’on appelle « fond » (bulk chez les Anglo-Saxons). Ce cadre possède davantage de dimensions. Trois représentent l’espace, une autre le temps. Mais il y en aurait six ou sept supplémentaires dans des versions d’Univers plus sophistiquées, dont certaines sont tellement repliées sur elles-mêmes qu’elle sont totalement imperceptibles : ce sont des êtres quantiques, des nuages, dont la vibration ou les divers enroulements créeraient ce qui apparaît à nos yeux comme de la matière. Pour le comprendre intuitivement, il suffit par exemple d’imaginer un morceau de tissu. Vu de loin, il apparaît comme une surface à deux dimensions ; mais quand on se rapproche, sa structure beaucoup plus complexe apparaît : on distingue la trame, les nœuds, les enroulements, l’épaisseur des différents fils, etc.

Quid de la nature des fameux “trous noirs”,
ces objets exotiques et monstrueux prévus
par la théorie de la relativité d’Einstein ?

Les récents développements de nos mathématiques modernes suggèrent, en outre, que l’espace n’est pas forcément composé d’une infinité de points. Remplaçons donc notre géométrie classique par ce que l’on appelle une « géométrie floue » : en dessous d’une certaine échelle, les détails des objets s’effacent ; un peu, si vous voulez, à la manière des composantes d’une image électronique qui se brouille si l’on descend en dessous de l’échelle des pixels qui la rendent si nette. Peut-être même que l’Univers est un objet « fractal », comme le suggère l’un des nos plus fascinants cosmologistes actuels, Laurent Nottale (né en 1952), de l’Observatoire de Paris-Meudon. Depuis le mathématicien français Benoît Mandelbrot (né en 1924), on connaît la propriété de ces objets mathématiques étranges qui ont pour particularité de présenter une forme différente mais des structures identiques à toutes les échelles. Prenez, par exemple, la fameuse côte de Bretagne (ou n’importe quelle autre chose : un cristal de neige, un chou-fleur…) : vue depuis un satellite, elle présente une certaine structure ; plus on se rapproche, plus sa forme se modifie, se remodèle et se reconfigure tout en conservant les mêmes structures. Le « zoom » peut ainsi se poursuivre jusqu’à l’infini.

Reste également à résoudre d’autres apories – comme la fameuse matière manquante, cette « matière noire » qui occupe plus de 80 % de l’Univers et qui permet la gravitation. De quelle nature est-elle ? Elle est en tout cas invisible à nos télescopes et imperceptible pour tous nos moyens d’explorations actuels. Et quid de la nature des fameux « trous noirs », ces objets exotiques et monstrueux prévus par la théorie de la relativité d’Einstein : une sorte de rupture du continuum de l’espace-temps-matière d’où rien ne peut s’échapper, à moins d’aller à une vitesse supérieure à celle de la lumière, ce qui dans notre cadre théorique actuel est tout à fait impossible... ?

Reste, enfin, la question des questions : que peuvent dire nos phy­siques du tout premier moment, du nanomicro-intervalle d’avant, d’avant le premier instant de l’explosion primordiale ? Absolument rien de rien. Car rien ne peut naître et ne saurait détoner à partir de rien. En deux petits millénaires, l’Homo sapiens sapiens a peut-être beaucoup appris sur l’Univers ; il s’est orgueilleusement sorti des gangues des religions et des illusions. Mais une chose reste sûre : de l’Univers, probablement jamais il n’épuisera tous les mystères et tous les vertiges…

Xavier Lacavalerie

(1) Il se croit même obligé d’ajouter dans ses calculs une petite correction de son cru, qu’il nomme « constante cosmologique ».
(2) En 1848, l’Autrichien Christian Doppler (1803-1853) et le Français Armand Fizeau (1819-1896) étudient le décalage de fréquence d’une onde – lumineuse ou sonore – lorsque la source et le récepteur sont en mouvement l’un par rapport à l’autre. Tout le monde a pu expérimenter l’effet Doppler-Fizeau sur la route, quand on croise une voiture qui klaxonne : le son se décale vers le grave au fur et à mesure que le véhicule s’éloigne.

Photo : modèle cosmologique de l’univers en expansion - à l’origine du “gros boum”, un “atome primitif”.