LE DÉBAT COSMOLOGIQUE




Par la hardiesse de ses idées, la cosmologie a toujours suscité passions et
controverses. Les nouvelles théories du Big Bang posent des questions plus
déroutantes que jamais : l'Univers est-il un jeu de miroirs ou une écume
d'espace-temps ?

par Jean-Pierre Luminet
Directeur de Recherches au CNRS
Astrophysicien à l'Observatoire de Paris-Meudon.





_____

En tentant d'intégrer les spéculations les plus avancées de la physique
théorique, le débat cosmologique connaît aujourd'hui une vivacité sans
précédent. Toutefois il ne trouve sa véritable portée qu'en s'interrogeant aussi
sur sa propre histoire. La mise en perspective épistémologique d'une discipline
permet en effet d'en relativiser les affirmations contemporaines, provisoires
comme c'est de règle en science, mais que d'aucuns auraient tendance à
considérer comme définitives.

Nombre de cosmologistes modernes ignorent que, par le seul fait de pratiquer
leur discipline, ils adoptent une position philosophique : ils admettent
implicitement que l'univers est beau et ordonné. L'étymologie même du mot
"cosmologie" l'indique : en grec, le kosmos désignait la parure des femmes, les
ornements, le bel aspect physique ou moral (à rapprocher du latin mundus, qui a
donné l'adjectif "mondain"). La notion de cosmos appliquée à l'organisation de
l'univers apparaît ainsi vers le VIe siècle avant notre ère chez les Milésiens
(Thalès, Anaximandre et autres physiciens de la ville de Milet, en Asie mineure)
: la réalité n'est pas le chaos que décrivait Hésiode dans sa "Théogonie" , deux
siècles plus tôt ; elle est au contraire belle et arrangée.

Par ailleurs le mot Univers, synonyme de Cosmos mais issu du latin, contient les
notions d'Unité et de Diversité. C'est bien le propos de la cosmologie que
d'expliquer par une unité sous-jacente l'extraordinaire diversité observée dans
le monde matériel - des particules élémentaires jusqu'aux superamas de galaxies.

Curieusement, le terme de cosmologie n'est apparu qu'en 1731, dans l'ouvrage
intitulé Cosmologia Generalis du baron allemand Christian Wolff, disciple de
Leibniz : depuis deux millénaires et demi il existait donc un discours sur
l'univers qui n'avait pas de nom! Wolff, comme la plupart de ses prédécesseurs,
s'efforça d'aborder les questions sur la nature physique du monde en se
dégageant le plus possible du mythe et de la religion.

_____

size=2 width="100%" align=center>


ESSAI DE COSMOLOGIE

La première apparition en français du mot "cosmologie" figure dans "L'essai de
Cosmologie" de Pierre-Louis Moreau de Maupertuis (1698-1759), paru en 1750. Ce
dernier fit preuve de génie aussi bien en physique qu'en mathématiques et en
astronomie. Il dirigea notamment une expédition en Laponie destinée à mesurer la
figure de la Terre.

_____

Or, une curiosité épistémologique omniprésente dans toute l'histoire de la
cosmologie est le procès quasi-permanent qui lui a été intenté (parfois à juste
titre, parfois injustement) d'interpénétrer les principes philosophico-religieux
et les énoncés physiques. Par exemple, si le terme de "cosmologie" est consacré
en 1752, dans un article de l`Encyclopédie par Jean le Rond d'Alembert , ce
dernier ne se prive pas de remarquer que le sujet n'est guère digne d'intérêt,
car il se réduit aux questions de savoir si l'on peut trouver Dieu dans la
nature ! Pour de nombreux physiciens, la cosmologie voisinait avec le rêve et
l'extase. Les récits "cosmologiques" tels ceux de Platon, Cicéron, Dante ou
Cyrano, mettaient en jeu des êtres "exceptionnels" (parler de l'univers comme
une totalité, c'est comme se placer extérieur à lui), capables de raconter leur
expérience de l'inexpérimentable. Ceci n'est pas sans rappeler les récits de
"near-death expériences" en vogue aujourd'hui.

Il est vrai que, jusqu'au début du XXe siècle, les considérations sur l'univers
n'étaient étayées par aucune observation proprement cosmologique, de sorte que
les modèles étaient plaqués sur des présupposés philosophiques et religieux. Ne
croyons pas pour autant que cette interpénétration de la physique et de la
philosophie ait cessé : Albert Einstein, l'inventeur de la théorie de la
relativité générale, qui sert de base à toutes les études cosmologiques
actuelles, s'y est le premier laissé prendre ; parmi les solutions possibles de
ses équations, il choisit pour des raisons esthétiques celle qui décrivait un
univers statique et fini. De même, on ne peut pas démontrer le "principe
cosmologique" qui sous-tend tous les modèles actuels d'univers et stipule qu'il
n'existe aucune position privilégiée dans l'espace.

A côté de ces justes critiques, de faux procès sont intentés à la cosmologie.
L'un d'entre eux a injustement gâché la renommée scientifique du plus grand
cosmologiste de ce siècle : Georges Lemaître, inventeur du concept de big bang
avec le russe Alexandre Friedmann. On lui a reproché de vouloir confirmer par la
science le récit de la Genèse. Il n'en était rien : abbé, certes, mais brillant
scientifique, Lemaître tenait à une distinction radicale entre science et
religion, pensant que l'on ne pourra jamais réduire l'Être suprême au rang d'une
hypothèse scientifique - comme le disait à Napoléon le mathématicien français
Pierre Simon de Laplace. Cependant Lemaître joua de malchance : le 22 novembre
1951, le pape Pie XII déclarait devant l'Académie Pontificale : "Il semble en
vérité que la science d'aujourd'hui, remontant d'un trait des millions de
siècles, ait réussi à se faire le témoin de ce Fiat Lux initial. Vers cette
époque, le cosmos est sorti de la main du Créateur".

Farouche adversaire d'un tel "concordisme", Lemaître demanda audience au pape et
remit respectueusement les choses en place. Le 7 septembre 1953, devant
l'assemblée générale de l'Union Astronomique Internationale, Pie XII tint
effectivement un discours radicalement opposé : la cosmologie scientifique ne
parlait ni de Fiat lux , ni de création.

Un autre mauvais procès intenté à la cosmologie est qu'elle ne serait pas assez
fondée sur le témoignage des sens. Pourtant, cette caractéristique n'a nullement
empêché Copernic de fonder sa nouvelle hypothèse sur une vision purement
esthétique de l'univers, en faisant fi des erreurs dont étaient entachées les
tables d'observation astronomiques ("Je ne peux qu'admirer ceux qui ont opté
pour l'héliocentrisme en dépit du témoignage de leurs sens", dit plus tard
Galilée). Et Johannes Kepler de découvrir l'ellipticité des orbites planétaires
en se fondant sur la croyance en l'harmonie des sphères.

Remarquons que nombre d'assertions cosmologiques prêtent, aujourd'hui encore, le
flanc à de telles critiques. On lit partout que le "Big Bang" est la violente
explosion qui a donné naissance à l'Univers. Tout est faux dans une telle
proposition, qui confond le début de l'univers (qui échappe à la description
scientifique) et le début de l'intelligibilité de l'univers. Pis encore, lors de
la découverte des fluctuations du rayonnement cosmologique en 1993, on a entendu
d'éminents cosmologistes déclarer : "Si vous êtes croyant, c'est comme si vous
voyez la face de Dieu", "Le Saint Graâl de la physique", " La plus grande
découverte de tous les temps".... De tels rapprochements entre cosmologie et
croyance, ou entre science et spectacle, ne sont pas de nature à clarifier les
idées du public. Faut-il y voir une concession à l'étonnante médiatisation de la
discipline, c'est-à-dire à une certaine rouerie, ou au contraire le signe d'une
grande naïveté ?

Pour finir, les adversaires de la cosmologie font valoir qu'il n'existe même pas
de bonne définition de l'univers. C'est exact, mais pour paraphraser le
physicien américain Richard Feynman, les cosmologistes sont bien décidés à
explorer le monde sans en avoir de définition !

_____


La cosmologie moderne


Quel est donc l'état actuel de la cosmologie ? L'univers est décrit par une
structure spatio-temporelle munie d'un contenu matériel (matière et
rayonnement), dont le couplage et la dynamique sont régis par la théorie de la
relativité générale. Ce cadre formel permet de concevoir une grande variété de
modèles d'univers, dont les prédictions doivent être confrontées aux
observations. Les astrophysiciens retiennent les solutions qui décrivent un
univers homogène (c'est-à-dire avec de la matière uniformément répartie dans
tout l'espace), en expansion depuis une singularité initiale remontant à une
quinzaine de milliards d'années. Ce sont les modèles standard de big bang. Le
terme "standard" signifie que des simplifications supplémentaires sont supposées
: ne sont pas prises en compte la constante cosmologique (qui décrit une sorte
de répulsion s'exerçant à l'échelle de l'univers lui-même), les complications
topologiques de l'espace-temps ni ses propriétés quantiques. Malgré leur grande
simplicité, les modèles standard de big bang fournissent une excellente
description de l'univers durant une grande partie de son évolution, expliquant
le noir du ciel, le décalage vers le rouge des galaxies, la proportion des
éléments chimiques légers, le nombre d'espèces différentes de neutrinos,
l'existence d'un rayonnement diffus de corps noir à la température de 2,73
Kelvins uniformément réparti sur le fond de ciel, et les petites irrégularités
observées dans ce rayonnement.

Parmi les questions qui restent inexpliquées par les modèles standard de big
bang, certaines sont de détail, d'autres de fond. Les questions de détail (sans
aucune connotation péjorative) sont celles dont la résolution ne devrait
impliquer qu'un approfondissement ou des aménagements mineurs de la théorie de
base, la relativité générale. Par exemple, il est d'usage de penser que les
questions mal comprises sur la matière sombre, la formation des galaxies, la
quasi-absence d'antimatière ou la quasi-parfaite uniformité de la répartition de
la matière à grande échelle devraient se résoudre par la physique des particules
de haute énergie appliquée à l'Univers primitif.

Les études des brisures de symétrie, de l'apparition de défauts topologiques
tels que cordes, murs ou textures cosmiques, et de la fameuse inflation - brève
période pendant laquelle les dimensions de l'Univers primitif auraient augmenté
dans des proportions gigantesques - relèvent de cette ligne de raisonnement.

Il est d'ailleurs intéressant de retracer le bref historique du concept
d'inflation. Je me souviens d'avoir entendu le physicien belge François Englert
l'introduire pour la première fois à l'École de Cosmologie des Houches en 1979,
mais ce n'est qu'en 1981 que l'idée a subitement fait fortune, avec un article
de l'Américain Alan Guth. Il est vrai que le lieu de publication était mieux
trouvé, ainsi que le "bon" mot d'inflation (on n'insistera jamais assez sur le
pouvoir des mots : le terme de Big Bang est devenu célèbre du jour au lendemain,
à la suite d'une émission de la radio britannique où il avait été utilisé de
façon ironique par l'un de ses adversaires acharnés, Fred Hoyle). Comme l'idée
était séduisante, des centaines de cosmologistes se sont mis à la peaufiner et à
construire des modèles. Les effets de mode sont d'autant plus importants que le
statut social du jeune chercheur est précaire, le renouvellement des contrats de
recherche post-doctorale dans les pays anglo-saxons obligeant à une rapidité de
résultats sur des sujets réputés "pointus". Qu'observe-t-on 15 ans après ? Des
retouches de plus en plus compliquées et invraisemblables apportées
successivement aux modèles d'inflation pour "sauver les apparences". Cela ne
rappelle irrésistiblement l'introduction de l'équant par Ptolémée dans la
théorie des épicycles...

_____


L'univers, fini ou infini?


Les questions de fond posées par les modèles standard de big bang concernent la
singularité initiale (en mathématiques, une singularité est un point où
certaines quantités deviennent infinies ; ici la courbure, la température, la
densité d'énergie, etc.) et la topologie de l'espace-temps. Elles mettent sans
doute en jeu la validité même de la relativité générale. En effet, en tant que
singularité d'une théorie non quantique, le Big Bang serait une limite absolue à
la compréhension du début de l'Univers, puisque les lois de la physique s'y sont
plus valables, ni même les concepts les plus élémentaires d'espace et de temps.
Quant à la topologie de l'univers (l'espace est-il fini ou infini, orienté ou
non ?), la relativité générale n'en rend même pas compte, puisqu'elle ne permet
de traiter que des propriétés géométriques locales de l'univers, et non des
caractéristiques globales.

A bien y regarder, ces deux questions sont liées à celles de l'infini. La
cosmologie est le royaume privilégié des infinis : infinis de l'espace, du temps
passé et du temps futur ; infinis, grands ou petits, de température, de
pression, d'énergie, de dimensions, liés à la singularité initiale. Les premiers
sont discutés depuis trois millénaires, les seconds sont apparus avec la théorie
de la relativité générale (aussi bien dans les modèles de big bang que dans ceux
d'effondrement gravitationnel conduisant aux fameux "trous noirs").

Commençons par les premiers. L'histoire de la cosmologie tourne sans cesse
autour de la lancinante question : l'espace est-il fini ou infini ? Au VIe
siècle avant notre ère règne l'idée d'un Monde (terre, planètes, étoiles) fini,
entouré d'un milieu infini. Puis, au IVe siècle, Platon postule dans son
dialogue intitulé le Timée que le monde et les cieux étaient tous deux finis,
enclos dans une série sphère. Le souci premier de sa modélisation cosmologique
est celui d'harmonie et de symétrie maximale (la sphère étant la figure parfaite
par excellence, elle doit naturellement s'inscrire dans l'architecture cosmique
pour refléter la perfection et l'immuabilité divines). Vient alors Aristote, qui
élimine l'infini de toute la physique, avec une influence qui durera deux
millénaires. En passant de l'infini au fini et en identifiant le monde physique
à un espace géométrique, les aristotéliciens accomplissent la première étape
clef de la modélisation cosmologique.

Le XVIIe siècle voit une évolution opposée: les sphères aristotéliciennes
éclatent après les observations de Tycho-Brahé et de Galilée, après les
considérations métaphysiques de Giordano Bruno, après l'ouvrage de vulgarisation
de Thomas Digges et après les ellipses du génial Kepler. C'est le passage du
monde clos à l'Univers infini. Cette nouvelle vision cosmologique est consacrée
par Newton, qui identifie désormais l'Univers à l'espace euclidien infini.

Ce passage est important : chez les Milésiens, le monde était considéré comme
étant dans l'espace - par exemple un cosmos enclos dans le volume d'une sphère,
elle-même plongée dans un espace extra-cosmique infini, sans propriété physique.
Chez les Aristotéliciens, le monde s'identifie à l'espace, et il est fini. Avec
les atomistes et avec Newton, monde et espace coïncident et sont infinis.

_____

size=2 width="100%" align=center>


La nature de l'espace fut découverte progressivement. L'idée d'un monde fini,
borné par une ultime sphère où auraient été accrochées les étoiles fixes, se
maintint jusqu'au temps de Nicolas Copernic.







Au début du XVIIe siècle, une nouvelle vision du monde s'instaura; on en vint à
penser que les étoiles se répartissaient dans un espace infini. Le terrain était
prêt pour Isaac Newton, qui identifia l'Univers à l'espace euclidien infini.



_____

Troisième étape clef : au début du XXe siècle, la théorie de la relativité
générale offre un nouveau cadre de compréhension de l'Univers en termes d'un
espace-temps courbé par la matière : si notre univers n'avait qu'une dimension
d'espace et une dimension de temps, il serait analogue à un feuillet de courbure
variable selon la répartition des masses ; toutefois ce feuillet ,ne serait pas
plongé dans l'espace à trois dimensions que nous connaissons, puisque rien
n'existe en dehors de l'Univers.

Dans les modèles cosmologiques relativistes, l'Univers s'identifie à une entité
physico-géométrique : l'espace-temps-matière. Remarquons que l'identification du
monde physique et de l'espace (ou de l'espace-temps) géométrique reste mal
comprise du public. Lorsqu'un conférencier parle de l'expansion de l'Univers, il
se voit invariablement poser la question : dans quoi l'Univers gonfle-t-il?
Cette formulation incorrecte est sans doute accentuée par l'analogie trop
souvent employée entre l'Univers en expansion et la surface d'un ballon que l'on
gonfle. En fait, l'Univers ne gonfle dans rien, puisqu'il n'existe pas d'espace
en dehors de lui. On ignore souvent, tout comme les Grecs d'il y a deux mille
ans, que les mathématiques savent décrire des espaces non euclidiens
parfaitement finis (un vaisseau spatial filant droit devant lui reviendrait à
son point de départ), mais n'ayant nul besoin d'un espace référent extérieur. De
même, le temps, qui est une propriété de l'Univers au même titre que l'espace,
n'a pas de référent extérieur, de sorte que l'autre question souvent posée :
qu'y avait-il avant le Big Bang, est également incorrecte. Vers 1230, le
philosophe Guillaume d'Auvergne l'avait remarquablement exprimé : "De même que
le Monde n'a pas de dehors, n'a pas d'au-delà, puisqu'il contient et embrasse
toute chose, de même le temps, qui a commencé à la création du Monde, n'a pas
d'auparavant ni de précédemment, puisqu'il contient en lui tous les temps qui
sont ses parties."

La cosmologie relativiste fait appel aux géométries non-euclidiennes, si bien
que, désormais, les deux possibilités d'espace fini ou infini sont
envisageables. En effet, les modèles de Big Bang indiquent que l'espace est soit
sphérique (de courbure positive), soit hyperbolique (de courbure négative), soit
euclidien (de courbure moyenne nulle). Dans le premier cas, des astronomes qui
mesureraient la somme des angles de très grands triangles, dans l'espace,
trouveraient une valeur supérieure à 180 degrés; dans le deuxième cas cette
somme serait inférieure, -à 180 degrés, et c'est seulement dans le troisième cas
qu'ils trouveraient la valeur de 180 degrés que nous mesurons sur les feuilles
de papier.

La différence se joue dans la quantité moyenne de matière contenue dans
l'Univers - puisque, en relativité générale, la matière détermine la géométrie
de l'espace-temps. Au-dessous d'un certain seuil critique de densité, l'espace
est hyperbolique, au-dessus il est sphérique; c'est seulement à la valeur exacte
de la densité critique que l'Univers est euclidien.

_____

size=2 width="100%" align=center>


La géometrie de l'univers

Les modèles d'Univers de A.Friedmann et G.Lemaître se distinguent par les
propriétés de l'espace (telle la courbure) et l'évolution temporelle de
l'Univers (expansion ou contraction). Les propriétés de l'espace sont de trois
types : modèles à courbure positive, telle l'hypersphère à trois dimensions (a),
modèle euclidien, où la courbure est nulle et où la somme des angles de tout
triangle est égale à 180 degrés (b), et modèles à courbure négative, telle une
nappe plissée où chaque point serait analogue à une selle de cheval (c). Dans
les versions les plus simples de ces modèles, l'évolution temporelle de
l'Univers est directement liée à la courbure de l'espace : l'Univers est fermé
si la courbure est positive, ouvert si la courbure est négative ou nulle.

_____

Les conséquences sur la dynamique cosmique sont considérables : si l'espace est
sphérique, l'Univers est spatialement fini et temporellement "fermé" : après la
phase actuelle d'expansion il se contractera et son histoire s'achèvera par
l'opposé d'un Big Bang nommé Big Crunch. Si l'Univers est euclidien ou
hyperbolique, il est temporellement "ouvert" : son expansion se poursuivra
éternellement. Cependant on ne sait plus, dans ce cas, si l'espace est fini ou
infini, car la question de la finitude ou de l'infinitude de l'espace relève non
plus de la relativité générale, mais de la topologie, comme nous allons voir.

_____


L'illusion de l'infini


Tout d'abord, insistons sur le fait que l'infinitude spatiale de l'Univers pose
quelques problèmes non seulement physiques, mais aussi métaphysiques. Parmi ces
derniers, mentionnons brièvement un raisonnement déjà tenu par Epicure au IVe
siècle avant notre ère. : si les agents de la causalité (pour Epicure, les
atomes) sont en nombre infini, il en est de même de leurs combinaisons, des
mondes et de leur diversité. Donc, s'il existe un nombre infini de galaxies,
toutes les combinaisons possibles présidant à la naissance et à l'existence d'un
être vivant doivent se produire un nombre infini de fois : il existe non
seulement une infinité de mondes, mais aussi une infinité d'individus ayant la
même structure génétique et la même histoire que n'importe quel individu de
notre Terre - vous ou moi.

Comment se débarrasser de l'infini spatial dans les modèles de Big Bang ? L'une
des solutions possibles réside dans des considérations de topologie appliquées à
l'espace-temps. La topologie est la branche de la géométrie qui classifie les
espaces d'après leur forme, leur caractère fini ou infini, etc. On se souvient
que les modèles de big bang ont des espaces de type sphérique, euclidien ou
hyperbolique selon que leur courbure est positive, nulle ou négative. Leur
topologie est usuellement supposée la même que celles des espaces "prototypes" :
hypersphère, espace euclidien, hyperboloïde (à trois dimensions), la première
étant finie et les deux autres infinies. Cependant il n'y a pas de raison
particulière pour que l'espace ait une topologie aussi simple. En tous cas, la
relativité générale ne stipule rien à ce propos ; ce n'est que l'application
stricte du principe cosmologique, surajouté à la théorie, qui incite à
généraliser les propriétés observées localement à la totalité de l'Univers. Ce
faisant, on se met dans la position de la fourmi qui, au milieu du désert, est
persuadée que le monde entier est composé de grains de sable.

Ainsi un certain nombre de "variantes" topologiques des espaces à trois
dimensions peuvent être appliquées à la description de l'espace réel. Pour les
univers à courbure positive, elles sont toutes fermées. La situation est bien
différente pour les univers à courbure négative ou nulle (favorisés par les
observations actuelles, qui indiquent que la densité de matière est inférieure
au seuil critique).

Sur les 18 topologies euclidiennes, six sont fermées et orientables (à deux
dimensions, un plan est orientable : il possède deux faces distinctes ; un ruban
de Möbius n'est pas orientable : il n'a qu'une face). C'est notamment le cas de
l'"hypertore" : l'espace défini par l'intérieur d'un cube ordinaire dont on
considère que les faces opposées deux à deux sont identiques. Dans cette
topologie, l'espace reste euclidien mais acquiert un volume fini.

Quant aux solutions hyperboliques, il en existe une infinité, dont certaines
sont fermées. L'une des plus intéressantes est représentable par l'un des
polyèdres réguliers, l'icosaèdre, où l'on identifie d'une certaine façon toutes
les faces deux à deux; l'espace intérieur, fini, devient "chiffonné" et à
courbure négative.

_____

size=2 width="100%" align=center>


Un espace hyperbolique compact.

Modèle d'un espace chiffonné hyperbolique. L'intérieur de cet icosaèdre dont les
faces de même couleur sont identifiées est un espace fermé de courbure négative
(sur la figure, certaines faces visibles à l'avant sont identifiées à des faces
cachées à l'arrière). L'espace réel pourrait être de cette nature. C'est l'une
des possibilités qu'explorent les cosmologistes aujourd'hui.





_____

Avec ces possibilités de "fermeture" topologique de l'Univers disparaît une
croyance récente de la cosmologie moderne, selon laquelle, pour savoir si
l'espace est fini ou infini, il suffirait de mesurer la quantité de matière
qu'il contient. On voit simultanément réapparaître, par le détour de
mathématiques sophistiquées, un mythe ancien : l'usage des corps parfaits
platoniciens pour expliquer l'architecture secrète du monde !

Ces considérations apportent également un nouvel éclairage sur les rapports
entre le monde "réel" et le monde "perçu". Le monde perçu est inévitablement
brouillé par l'imperfection de nos sens. La physique nous apprend qu'il existe
aussi un brouillage "objectif", reflétant la nature physique du monde
indépendamment de nos sens. Au niveau microscopique (quantique), le principe
d'incertitude d'Heisenberg implique qu'une particule, comme un électron, n'a de
"réalité" que si l'on effectue une mesure sur elle, et cette mesure modifie ses
propriétés. Au niveau macroscopique, les "mirages gravitationnels" déforment
notre vision de l'Univers. Ceux-ci résultent de la courbure de l'espace-temps.
Les rayons lumineux émis par les astres lointains (galaxies, quasars)
rencontrent sur leur trajet jusqu'à nous des masses (étoiles, galaxies, amas de
galaxies); en courbant l'espace dans leur voisinage, ces masses intermédiaires
perturbent les trajets des rayons lumineux et engendrent des illusions
d'optiques, des "mirages" qui déforment, amplifient ou démultiplient les images
des sources situées à l'arrière-plan.

Avec les modèles d'Univers chiffonnés, le brouillage cosmique pourrait être
complet, et non plus localisé dans certaines directions d'observation. Là, ce
serait la forme globale de l'espace qui démultiplierait les trajets de la
lumière entre les sources lointaines et nous, de sorte que nous serions plongés
dans un univers d'apparence très différente de ce qu'il est en réalité. Par
exemple, chaque galaxie "réelle" aurait des dizaines d'images fantômes réparties
dans toutes les directions du ciel, mais qu'il serait difficile de reconnaître
en tant que telles. L'univers nous paraîtrait vaste, "déplié", contenant des
milliards de galaxies, tandis qu'il serait en réalité beaucoup plus petit,
chiffonné, contenant beaucoup moins d'objets qu'on n'en voit. Ce
miroir-aux-alouettes cosmique plongerait le cosmologiste entre l'illusion de
l'infini et une réalité finie.

_____





L'illusion cosmique

On peut envisager l'espace comme un jeu de Pac Man, où les personnages qui
sortent par un bord de l'écran réapparaissent sur le bord opposé. Cette
configuration est celle d'un tore, puisqu'on obtient un tore en recollant les
bords opposés d'un carré. On peut reprendre cette idée de recollement à trois
dimensions : si l'Univers était comme l'intérieur d'une boîte dont les faces
opposées étaient recollées, le nombre de galaxies nous paraîtrait bien supérieur
à ce qu'il est en réalité. Sur cette figure, on a représenté les résultats d'une
simulation où l'on a placé au hasard un vingtaine de galaxies dans un modèle
d'Univers "hypertorique" dont la taille est d'un milliard d'années-lumière
seulement (a). L'aspect du ciel ne se réduit pas aux images des vingt galaxies
(b), car les rayons lumineux empruntent de multiples trajets pour nous parvenir.
Au contraire, l'image de chacune des "vraies" galaxies est démultipliée en un
grand nombre d'images "fantômes", qui donnent à l'Univers l'apparence d'être
beaucoup plus vaste et peuplé (c).



_____

La quatrième étape clé de la cosmologie est à venir. Elle résidera peut-être
dans la résolution des problèmes de l'infini, non seulement liés à l'espace et
au temps, mais également à ceux présents dans les singularités.

Dans les modèles de big bang, la singularité initiale est un état de dimension
nulle, de courbure et de densité infinies, qui surgit inévitablement quand on
remonte à l'envers l'histoire de l'expansion cosmique. A la singularité, les
lois de la physique deviennent incohérentes et perdent tout pouvoir prédictif.
Cette singularité ne peut être évitée par les lois classiques (non quantiques).

_____


L'Univers quantique


Peut-on légitimement remonter le passé cosmique jusqu'à la singularité ? Non :
lorsque les dimensions de la "bulle" d'univers observable (aujourd'hui 10^28
centimètres) étaient inférieures à 10^(-33) centimètre (correspondant, selon les
modèles actuels, à un temps plus petit que 10^(-43) seconde), la relativité
générale classique perd tout pouvoir prédictif car les effets quantiques
deviennent prépondérants : une théorie de la gravitation quantique devient
impérative, nécessitant une unification complète des quatre interactions
physiques (électromagnétique, forte, faible, gravitationnelle).

Cependant cette théorie n'existe pas, en raison de difficultés fondamentales
liées à la nécessaire redéfinition de concepts tels que l'espace, le temps, la
causalité, le rôle de l'observateur, etc. De nombreuses propositions ont été
faites : supercordes, introduction de dimensions supplémentaires, etc. Ce n'est
pas le lieu de les recenser, mais je considérerai l'une des approches, celle de
la cosmologie quantique.

La cosmologie quantique résulte de l'application des principes de la mécanique
quantique à la description de l'Univers dans son ensemble. Elle tente de
répondre de façon rationnelle aux questions des origines (d'où venons-nous ?) et
de la contingence (pourquoi y a-t-il quelque chose plutôt que rien?). La
description de la dynamique de l'Univers à l'échelle quantique a initialement
été proposée dans les années 1960 par John Wheeler et Bryce de Witt : au niveau
microscopique, la géométrie de l'univers devient "floue", comparable à une sorte
d'écume constamment agitée de petites fluctuations. Les équations de Wheeler-de
Witt permettent, en principe, de calculer les probabilités pour que l'univers
ait telle ou telle configuration de l'espace et de la matière, mais, en
pratique, les équations sont inutilisables sous leur forme générale, car bien
trop complexes. La seule chance d'en trouver des solutions est de simplifier
considérablement le problème. Ainsi, la cosmologie quantique ne peut être mise
en oeuvre que pour des modèles très simples, ce qui réduit sa portée par rapport
aux ambitions théoriques originelles. Divers solutions approchées ont été
proposées, notamment par "l'école russe" (A. Lindé, A. Vilenkin) et par "l'école
anglo-saxonne" (J. Hartle et S. Hawking). En termes simples, le modèle quantique
de Hartle et Hawking n'a ni frontière ni bord, comme la surface d'une sphère
mais avec deux dimensions supplémentaires. Autrement dit, l'Univers serait fini
non seulement dans l'espace (son "volume" total serait fini) mais aussi dans le
temps. La problématique singularité initiale disparaîtrait : l'Univers n'aurait
pas eu de commencement et n'aurait jamais de fin. Cependant cette nouvelle
"éternité du temps" ne serait trouvée qu'au prix de l'abandon du temps cosmique
réel (mesuré par les horloges ou par l'expansion des galaxies) au profit d'un
temps imaginaire (au sens mathématique du terme).

L'approche de A. Lindé, bien différente, suppose des conditions initiales
chaotiques. Qualitativement, Lindé présente sa solution (non exacte) sous la
forme d'un gigantesque univers éternel et auto-reproducteur, constitué d'une
"mousse d'Univers". Chaque bulle de cette mousse aurait ses propres
caractéristiques : constantes physiques, nombre de dimensions spatiales,
dynamique. Notre Univers observable ne serait qu'une infime partie de l'une de
ces bulles, démesurément gonflée par l'inflation. Là encore, l'Univers "global"
n'aurait ni commencement ni fin, même si les bulles individuelles, avec
notamment ce qui semble être "notre univers", pouvaient naître et mourir.

_____

size=2 width="100%" align=center>




L'ÉCUME DE L'ESPACE-TEMPS

La structure de l'Univers est envisagée différemment selon les modèles physiques
sous-jacents.

Ici on a représenté :

- un modèle classique (non quantique), où l'espace est lisse à toutes les
échelles,

- un modèle où la structure à petite échelle est agitée de fluctuations
quantiques,

- un modèle où l'Univers n'est qu'une bulle au sein d'une mousse composée d'un
nombre infini de bulles, chacune ayant ses propres lois physiques.



_____

Si la cosmologie quantique éclaire les débuts de l'Univers, elle soulève de très
nombreux problèmes. C'est d'ailleurs ce qui fait son intérêt. Résout-elle le
problème de la singularité ? Oui dans certains modèles, non dans d'autres. Elle
ne résout pas non plus le problème de la topologie de l'Univers.

Je conclurai ce panorama des quelques idées clefs des cosmologies anciennes,
contemporaines et futures en laissant la parole au poète Omar Khayyâm (XIe-XIIe
siècles) :

Ceux qui, par la science, vont au plus haut du monde
Qui, par l'intelligence, scrutent le fond des cieux
Ceux-là, pareils aussi à la coupe du ciel
La tête renversée, vivent dans leur vertige.

A LIRE :

J. BARROW : La grande théorie, Albin Michel, 1994

J. DEMARET : Univers, Le Mail, 1991

R. HAKIM : La science et l'univers, Syros, 1992

A. KOYRÉ : Du monde clos à l'univers infini, Le Livre de Poche, 1992

J.-P. LUMINET et M. LACHIÈZE-REY : La Physique et l'infini
<file:///D:\Mes%20Documents\RSEGUYMICHEL\récup%20D\Mes%20Documents\Books\books.h\
tml#Physique> , Flammarion/Dominos, 1994



* Retour
<file:///D:\Mes%20Documents\RSEGUYMICHEL\récup%20D\Mes%20Documents\luminet.html#\
top>