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Christian Magnan

 

 


LA COSMOLOGIE EST-ELLE UNE SCIENCE ?
Retour sur le principe anthropique

 

Pourquoi les paramètres qui caractérisent notre monde physique ont-ils les valeurs que nous lui connaissons ? Pour répondre à cette question les cosmologistes avancent l'idée qu'il existerait une multiplicité d'univers de caractéristiques différentes (ou "multivers"), dont seuls certains seraient capables d'abriter la vie. Mais la cosmologie a-t-elle vraiment les moyens théoriques de traiter notre univers comme "un parmi d'autres"? La science est-elle vraiment capable de concevoir des objets "univers" ? Il me semble qu'en l'absence de formalisme adéquat les considérations relatives à d'autres univers que le nôtre sont largement spéculatives et par conséquent scientifiquement irrecevables.

Christian Magnan
Collège de France, Paris
Université de Montpellier II


L'énonciation du principe anthropique - selon lequel notre Univers possède les caractéristiques nécessaires et suffisantes pour que la vie apparaisse - a représenté pour la science, à travers son inventeur, l'une des premières occasions d'avancer de façon assez explicite l'idée de l'existence d'autres univers que le nôtre. De nos jours, la proposition anthropique et l'hypothèse de la pluralité des univers restent intimement liées et c'est pourquoi la discussion que je mène dans cette page concernera à la fois ces deux questions. Tout en rappelant quelques aspect du principe anthropique, je m'interrogerai sur la portée physique de la supposition relative à la présence de plusieurs univers.

LE PRINCIPE ANTHROPIQUE RESTE PRÉSENT DANS LES ESPRITS

Le principe anthropique part de cette idée que puisque nous y existons notre Univers possède forcément les caractéristiques propices à l'apparition de la vie et que si celles-ci étaient différentes, nous ne serions pas là pour en témoigner. Donc, si les propriétés de l'Univers sont ce qu'elles sont, c'est parce que nous nous y trouvons. Telle est la trame du raisonnement anthropique.

Pourquoi revenir (en 2003) sur cet énoncé ? Une trentaine d’années maintenant après qu’il a été émis, ne peut-on pas estimer que le débat sur la question est clos ? La condamnation de cette dérive aux relents finalistes et mystiques n’a-t-elle pas fait l’unanimité chez les rationalistes ? Si je rouvre ici le dossier, c'est d'abord que je m'aperçois à mon grand regret que l'idée anthropique hante toujours l'esprit de nombreux scientifiques et, par contamination, du grand public. Ce principe est encore très largement utilisé par les cosmologistes eux-mêmes et cité de façon récurrente et insistante dans les magazines d’astronomie spécialisés. Dans les deux cas, il est accepté sans être controversé. Ensuite, il est utile, je crois, de renouveler la critique de l’argumentation anthropique en s’attaquant aux fondements mêmes du raisonnement, c’est-à-dire aux hypothèses de départ, implicites ou explicites, dont la pertinence ou la justesse ne sont jamais réexaminées. Plus précisément il existe un assentiment général de bon aloi autour de cette idée selon laquelle notre Univers possède des caractéristiques particulières (celles qui, dit-on, ont justement permis à la vie d’apparaître) alors que, comme nous allons voir, la proposition ne peut pas être étayée théoriquement et s’avère de ce fait dépourvue de crédibilité scientifique. Malgré cela, à force d’être répétée, et soutenue d’ailleurs sans discernement par les cosmologistes, l’affirmation, bénéficiant en outre d’un battage médiatique tapageur, s’est imposée comme un résultat établi, au point que personne ne songe à la remettre en cause, même parmi les opposants au principe anthropique.

Par exemple, dans son article sur le principe anthropique écrit pour le Dictionnaire culturel des sciences (Nicolas Witkowski, Editions du Regard, 2001), Jean-Marc Lévy-Leblond (bien que critiquant clairement le fâcheux principe) reprend sans réserve ce postulat sur le caractère extraordinaire de notre Univers en expliquant : « les sciences physiques contemporaines ont montré que si l’apparition de la vie dans un univers évolutif est plausible dans certaines conditions, ces conditions mêmes sont assez particulières ». Il ajoute que les experts se sont aperçus que « seuls de très fins ajustements des paramètres » définissant l’univers et son contenu de matière-énergie ont permis le fonctionnement des mécanismes ayant conduit à la formation des étoiles et des planètes et à la création des atomes dont notre chair est composée.

Or, si on admet que notre Univers est vraiment particulier, ne devient-il pas au fond presque raisonnable d’en conclure qu’il a bel et bien été « ajusté » (nul n'ose préciser comment!), l'ajustement visant à garantir la naissance sur une terre d’un être doué de conscience et d’intelligence ? En effet, si les univers « normaux » sont incapables de produire la vie, c’est que notre Univers n’est pas « normal »  et qu’il a donc été conçu de façon exceptionnelle avec cette propriété spécifique de fécondité. C’est dans cette argumentation que réside sans doute la perversion du principe anthropique, et pour éviter de s’enfermer dans un débat peut-être stérile il est préférable de détruire le germe de la discussion à ce niveau. Plus précisément, je vais montrer que les prémisses du raisonnement anthropique n’ont pas de fondement scientifique et doivent donc être rejetées, le principe anthropique tombant alors de lui-même. En vérité, les affirmations des cosmologistes sur le caractère exceptionnel de notre Univers ne peuvent pas s’appuyer sur une modélisation théorique sûre, car il n'y en a pas, et relèvent de ce fait de la spéculation. Dans cette ligne de réflexion, ce n’est donc pas l’utilisation en aval d’un résultat scientifique authentique qui est fautive, c’est le caractère mensonger d’une science mal conduite (« mal menée ») en amont qui est à dénoncer.

J’examinerai les points suivants. Tout d’abord la science ne nous donne pas les moyens de parler d’autres univers car le temps et l’espace étant inexorablement liés à la matière il n’existe pas pour les cosmologistes d’espace-temps « super-universel » absolu extérieur dans lequel situer les mondes hypothétiques auxquels ils nous renvoient. Ensuite, les équations de la relativité générale, les seules dont nous disposions pour décrire le cosmos, sont de nature locale et non globale et de ce fait ne peuvent pas traiter directement de façon cohérente d’un univers dans son ensemble. Enfin, nous verrons que lorsque les cosmologistes discernent dans la petitesse extrême d’un certain terme (dit de courbure) la preuve d’un réglage diaboliquement précis des constantes universelles, cette petitesse a en réalité pour origine ultime la présence simultanée de deux échelles irréconciliables pour la physique contemporaine, l’échelle atomique et l’échelle cosmique, et ne résulte donc ni d’un choix intentionnel ni d’un tirage au sort. Je conclurai que la cosmologie contemporaine n’a pas acquis le statut de science et que par conséquent toute considération relative à l’« existence » d’autres univers est gratuite, au mieux prématurée et en l'état actuel de nos connaissances dénuée de pertinence.

MÊME SOUS SA FORME « FAIBLE », LE PRINCIPE ANTHROPIQUE EST-IL UTILE ?

Avant de contester les bases sur lesquelles les tenants du principe anthropique ont fondé leurs extrapolations abusives, rappelons brièvement la motivation première ayant conduit Brandon Carter à formuler son fameux mais regrettable énoncé. À l’origine notre astrophysicien cherchait à lutter contre l’introduction de théories fortement spéculatives s’appuyant sur des coïncidences numériques relatives à certains « grands nombres » intervenant en cosmologie. La situation est d’ailleurs amèrement paradoxale puisqu’en voulant combattre ce qu’il tenait (avec raison) pour des dérives de pensée scientifique il contribuera à en introduire de bien plus graves.

Les coïncidences numériques en question frappent l’esprit en ce qu’elles établissent un lien entre des quantités à première vue indépendantes puisqu’il s’agit d’une part de paramètres cosmiques (comme le taux d’expansion de l’Univers, mesuré par la célèbre constante de Hubble) et d’autre part de paramètres de physique atomique (comme la masse du neutron) ou stellaire (comme la masse d’une étoile). Cependant, sans avoir recours à des théories exotiques, le physicien Robert Henry Dicke (1916-1997), une dizaine d’années avant l’intervention de Brandon Carter, avait fait remarquer qu’une relation entre ces nombres a priori disparates pouvait provenir du simple fait que l’Univers avait en gros l’âge de ses étoiles (ce que manifestait par ailleurs clairement l’histoire évolutive du monde telle que la science l’avait reconstituée). En effet comme la durée de vie d’une étoile est donnée par des formules où interviennent des paramètres atomiques, écrire que l’âge de l’Univers, a priori tout à fait insensible à ces paramètres atomiques, était égal en ordre de grandeur à celui de ses étoiles revenait bien à établir un rapport entre constantes cosmiques et constantes atomiques. Dans ces conditions, surprenante au départ la coïncidence s’expliquait de façon naturelle et acquérait le statut d’une simple équation physique. Tout était dit : on aurait dû en rester là.

En formulant un principe anthropique (dont l’énoncé pourrait être ici : « l’âge de l’Univers représente au minimum le laps de temps qui a été nécessaire à la fabrication de la vie ») permettant selon lui de présenter la coïncidence constatée comme une « prédiction » théorique, Brandon Carter a introduit la confusion dans les esprits sans apporter à la science aucun élément constructif nouveau. En effet, il n’est pas nécessaire de faire appel à un « principe » pour convenir que notre Univers a l’âge de ses étoiles car on peut légitimement considérer cette conclusion comme émanant d’un constat observationnel, voire relevant de la simple logique. Par conséquent le principe anthropique, même dans ce cas relativement trivial et sous cette forme édulcorée, n’est qu’une façon de dire que « la réalité est ce qu’elle est », à ceci près que le côté pompeux et prétentieux de la déclaration trahit une véritable arrogance d’esprit. En outre la tournure de l’énoncé « puisque nous existons, l’Univers doit posséder la propriété d’avoir eu le temps de nous fabriquer » est propre à nous induire en erreur car en prétendant en quelque sorte que c’est l’être humain qui détermine la réalité, ce genre de raisonnement opère un mélange trompeur entre les effets et les causes et témoigne d’une réelle perversion de la logique scientifique. Pour ces raisons, alors que cette forme dite « faible » du principe anthropique est largement acceptée par les commentateurs, qui la jugent « raisonnable », non seulement je n’en vois pas le moindre intérêt mais la juge malsaine et contraire à la conduite d’une pensée rationnelle authentique.

Voici un autre exemple d’une découverte qu’on entend encore attribuer de nos jours à une application prétendument féconde de la version douce du principe anthropique (y compris, ce qui est à regretter, par des personnalités scientifiques en vue). La vie, sous son aspect chimique, est basée sur les propriétés du carbone. Les astrophysiciens savent que cet élément, qui n’existait pas à l’origine de l’Univers, est synthétisé dans les étoiles durant les derniers stages de leur évolution lorsque celles-ci, après avoir passé les milliards d’années de leur vie à transformer leur hydrogène en hélium, consacrent leurs derniers moments à fusionner les noyaux d’hélium ainsi obtenus pour fabriquer des noyaux plus lourds, dont le carbone. Arithmétiquement, ces noyaux plus lourds se fabriquent par assemblage de noyaux plus légers. Ainsi 4 noyaux d’hydrogène (élément de masse atomique unité) se combinent pour constituer 1 noyau d’hélium (de masse atomique 4, cette réaction produisant par ailleurs l’énergie qui permet à l’étoile de briller), puis deux noyaux d’hélium s’assemblent pour donner le béryllium (de masse atomique 4+4=8) qui en se combinant avec un hélium supplémentaire fournit le précieux carbone (de masse atomique 8+4=12).

Sur le papier les choses sont simples mais pour qu’elles se produisent dans la réalité encore faut-il que les étoiles réunissent en leur sein les conditions physiques permettant aux réactions désirées de fonctionner avec un rendement suffisant. Or si on avait élucidé de façon satisfaisante vers le milieu du vingtième siècle le cycle de réactions permettant de forger l’hélium la création du carbone restait en revanche mystérieuse car les calculs montraient que l’élément « béryllium », indispensable maillon du processus en chaîne indiqué, devait se désintégrer à peine formé. Néanmoins, comme le carbone existait, il fallait bien évidemment trouver l’explication de sa présence ! C’est en 1954 que l’astronome anglais Fred Hoyle (1915-2001), à la lumière des données théoriques et expérimentales de physique atomique et stellaire en sa possession, eu l’audace intellectuelle d’affirmer que le carbone devait se former directement, en quelque sorte d’un seul coup, à partir de 3 noyaux d’hélium, à condition de posséder ce que l’on appelle un niveau de « résonance » encore non identifié, c’est-à-dire un état que ces 3 noyaux d’hélium pourraient atteindre avec une facilité accrue dans les conditions de température et de pression régnant au centre des étoiles. Hoyle calcula la position du niveau et celui-ci fut trouvé expérimentalement en laboratoire quelque temps plus tard à l’énergie indiquée.

C’était un succès prédictif considérable mais on comprend facilement qu’il est abusif d’invoquer à son propos, comme le font certains, un raisonnement ou une conjecture anthropique de la forme « puisque nous existons, le carbone doit avoir un niveau de résonance à telle énergie ». En effet un scientifique honnête se contentera de dire que, constatant la présence du carbone sur Terre (et ailleurs dans l’univers, car on le détecte dans une multitude d’objets célestes), il se doit de trouver comment ce carbone est arrivé là. D’ailleurs il faut savoir que c’est sans référence aucune au fait que nous existons que les calculs de « nucléosynthèse » (c’est-à-dire s’appliquant à la synthèse des différents noyaux atomiques au sein des étoiles) sont menés. Ce dont les astronomes essaient de rendre compte, ce n’est pas seulement la formation des éléments dont notre chair est constituée mais bien l’abondance de tous les éléments présents dans les astres, et cette absence de restriction dans la liste des noyaux atomiques étudiés prouve bien que les chercheurs sont dégagés de tout souci anthropique.

La détermination de l’abondance des éléments et l’explication des valeurs mesurées constituent certainement l’un des chapitres les plus essentiels de l’astronomie actuelle car ces études nous renseignent sur la façon dont les astres se transforment et évoluent dans des cycles cosmiques d’échelles temporelle et spatiale d’ampleur prodigieuse. On peut remarquer à ce propos (avec un brin de perfidie vis-à-vis des adeptes du principe anthropique) que l’histoire d’envergure universelle retracée par la science grâce à l’étude des noyaux atomiques n’inclut pas notre Terre : les populations stellaires évoluent comme si nous n’étions pas là et continuent leur fabrication d’éléments indépendamment de toute préoccupation anthropique et de la présence de milliards de planètes aussi insignifiantes que notre planète.

Ces études de « nucléosynthèse » ne sont pas faciles. Les phases finales de la vie d’une étoile, pendant lesquelles sont fabriqués les éléments lourds, sont d’une grande complexité car l’astre concerné, alors en évolution très rapide, est soumis à des cataclysmes d’une violence inouïe pour lesquelles notre physique ordinaire, qui sait surtout traiter les phénomènes en équilibre, est passablement démunie. Mais jamais, au grand jamais, un quelconque principe anthropique n’a permis d’aider les astrophysiciens dans leur tâche de compréhension des processus physiques entremêlés.

Ces deux exemples sur l’âge de l’Univers et sur l’abondance des éléments nous montrent que le principe anthropique ne nous est d’aucune utilité. En outre, par sa prétention, car le partisan du raisonnement anthropique part du principe implicite qu’il pourrait « refaire le monde » en en changeant les proriétés, il se révèle profondément malsain. En conclusion, même sous sa version « soft », il n’y a pas de « bon » principe anthropique.

LES CONSTANTES UNIVERSELLES

Dans son article fondateur, Brandon Carter se penchait ensuite sur les valeurs des divers paramètres cosmologiques, c’est-à-dire des paramètres décrivant notre Univers dans son ensemble, en suggérant qu'on pourrait les prédire à l’aide d’une argumentation anthropique. L’article a été publié en 1974. Or près de 30 ans plus tard l’histoire nous oblige à conclure que la méthode proposée est improductive, en n’ayant pas apporté la moindre contribution au problème de la détermination de ces paramètres universels alors que leur obtention constituait l’une des raisons de l’introduction du principe anthropique. De nos jours si les astrophysiciens déploient les plus grands efforts pour déterminer la valeur de ces paramètres ils se tournent vers l’accumulation et le traitement de données d’observation, et certainement pas vers l’usage du principe anthropique. C’est bien la preuve de l’inanité de ce dernier.

C’est à propos des constantes physiques et cosmologiques que le principe anthropique a fait un retour en force sous sa forme la plus agressive (par exemple dans le livre La mélodie secrète de Trinh Xuan Thuan, sous-titré « Et l’Homme créa l’Univers ») autour de cette idée (déjà présente dans l’article de Brandon Carter mais sous une forme peut-être un peu plus embryonnaire) que notre Univers aurait été « réglé » avec une précision diabolique, la présence de la vie contraignant en quelque sorte les paramètres à prendre telle valeur plutôt que telle autre. Comment la question se pose-t-elle en science ?

La diversité du monde est incroyablement grande, surtout si on considère toute l’étendue de l’échelle astronomique. En effet les conditions physiques de la matière différent considérablement d’un objet à l’autre, la température pouvant passer par exemple de quelques degrés Kelvin à des millions de degrés, la matière se présenter ici sous forme de plasma aux atomes déchiquetés ou là sous forme de molécules froides capables de développer une chimie complexe. De même une étoile géante n’a rien de commun avec une minuscule planète et la comparaison des planètes entre elles (dans le système solaire, car nous ne connaissons pas les autres) dévoile surtout leurs profondes, imprévisibles et incroyables différences. Cependant si on les envisage d’un point de vue physique le calcul montre que les choses qui nous entourent ne peuvent pas posséder n’importe quelle taille ou n’importe quelle forme. Leurs caractéristiques sont au contraire déterminées, dans certaines fourchettes, par la valeur d’un petit nombre de constantes physiques. Ce sont ces dernières qui réglementent le visage des objets quotidiens ou des objets célestes : par exemple, les animaux ne peuvent pas dépasser telle taille ou tel poids, les oiseaux ne peuvent pas voler plus vite que telle allure (ni moins vite que telle autre d’ailleurs), les plus hautes montagnes sur Terre n’atteignent pas les 10 kilomètres d’altitude, les étoiles ont des masses inférieure et supérieure limites, les galaxies ont certaines dimensions caractéristiques, etc. Comme le dit la poésie : « Une fourmi de dix-huit mètres [...] ça n’existe pas, ça n’existe pas. »

Ainsi les mensurations des objets physiques ne sont pas arbitraires mais dépendent des nombres mesurant les constantes physiques. La taille du noyau atomique est fixée par la valeur des masses de l’électron, du proton, de leur charge électrique et de la constante de Planck. À l’échelle universelle, la constante de la gravitation joue un rôle essentiel. Elle détermine la taille des orbites des composantes de systèmes multiples et règle la composition des ballets planétaires. Elle fixe en combinaison avec d’autres constantes la masse et le rayon des étoiles. Autre paramètre de portée cosmique, la vitesse de la lumière impose la dimension spatiale de notre Univers, qui est égale à la distance parcourue par la lumière pendant le temps écoulé depuis le big bang, soit 12 à 15 milliards d’années. Enfin, les modèles d’univers les plus simples que nous sachions calculer (homogènes et isotropes, sans constantes additionnelles arbitraires, et de type fermé) sont définis par un paramètre : leur durée de vie totale, du big bang au big crunch.

Quand on examine les dimensions et formes naturelles on s’aperçoit qu’elles reposent toutes sur une quinzaine de paramètres. Mais d’où viennent ces nombres ? Personne ne sait répondre en ce début du troisième millénaire. Ces constantes nous sont données par la nature : on doit les mesurer expérimentalement et aucune théorie ne peut en fournir la valeur (au contraire des constantes mathématiques, comme « pi » ou « e », qui sont calculables à partir d’algorithmes numériques).

Le principe anthropique propose cette réponse-ci, censée tenir lieu de véritable explication : « les paramètres universaux sont ce qu’ils sont parce que s’ils étaient autres nous ne serions pas là pour le dire ». Imparable ? Comme annoncé, je ne chercherai pas dans cette page à juger la qualité du raisonnement même, de nombreuses discussions ayant déjà été consacrées à ce sujet. Ma ligne d’attaque contre l’argument anthropique consistera à montrer que, bien que présentée par d’authentiques spécialistes, la proposition n’a pas de caractère scientifique. En effet, alors que l’énoncé suppose qu’il existerait une infinité d’« autres univers » dotés de constantes physiques diverses, la science ne dispose d’aucune formalisation sérieuse et éprouvée concernant cet ensemble de mondes de sorte qu'en l’absence d'une telle base un discours sur la multiplicité potentielle ou effective d’univers n’a pas de valeur. Par conséquent les personnes qui s’appuient sur la science pour évoquer la réalité d’autres univers ou la possibilité de changer les paramètres du nôtre nous trompent sur la qualité de leur caution.

D’AUTRES UNIVERS ?

Toute l’idée anthropique tourne autour de la « question » de la singularité de notre monde, dans les deux sens du terme, puisque notre Univers, déjà singulier comme unique, est prétendu singulier au sens d’exceptionnel. Or il faut savoir dire cette vérité capitale, et la redire car on ne l’entend guère, que la science est incapable de « digérer », de prendre en compte, le caractère d’unicité du monde. En effet cette science, au moins celle que nous connaissons (mais comment pourrions-nous parler d’une autre ?), ne sait traiter que de classes d’objets, et non d’un objet isolé particulier. Elle ne sait théoriser qu’en comparant, en changeant les conditions auxquelles est soumis le système étudié, en l’expérimentant, en le mettant en situation par rapport à d’autres. Comme nous allons voir en détails que rien de tel n’est possible avec l’objet « univers » - l'objet lui-même d'ailleurs s'avérant difficile à définir - nous en conclurons que, incapable d’étudier des univers pluriels, la cosmologie n’est pas une science et que, privée des pouvoirs que lui confèrerait ce titre, elle ne peut pas discourir légitimement de la nature physique de notre monde en traitant celui-ci comme « un parmi d’autres ».

Supposer que les constantes universelles puissent être autres que ce qu’elles sont revient bien à envisager l’existence d’un ensemble de mondes. Soutenir qu’il en existe au moins un parmi eux, le nôtre, dont les paramètres seraient propres à garantir la naissance de la vie implique qu’il y en aurait d’autres dans la même situation, et aussi d’autres qui, n’étant pas dotés des bons paramètres, n’abriteraient pas cette vie. Seulement voilà : si parler d’autres mondes est toujours possible dans un imaginaire libre de toute entrave logique, il n’existe aucune armature scientifique théorique pour articuler ce discours et l’ancrer dans la réalité.

Je veux parler dans cet article du monde physique, du monde des choses (pas du monde de la pensée par exemple), et depuis Einstein nous y analysons des « événements », caractérisés par le lieu et l’instant où ils se produisent (en nous interdisant donc de séparer le temps de l’espace). Autrement dit, par définition même, nous ne savons situer un événement matériel que dans le temps et l’espace. Mais de quel temps et de quel espace s’agit-il ? De celui dans lequel nous vivons, car le seul espace-temps concevable dans nos théories actuelles se limite à notre propre monde, la science ne nous donnant la possibilité ni d’en concevoir d’autres ni de l’inclure dans une structure qui le surpasserait. En effet, jusqu’à l’invention par Einstein de sa théorie de la gravitation, la science raisonnait à la suite de Newton en terme d’un temps et d’un espace absolus, transcendant toute substance réelle, cadre préétabli prêt à recevoir la matière. Mais cette conception a volé en éclats. Selon la théorie moderne de la gravitation, notre monde n’est pas situé « quelque part » ni à « une certaine époque » relativement à un repère d’espace et de temps extérieur. De même, il n’est pas né à un instant donné et en un endroit donné, instant et lieu repérables dans un espace-temps « supérieur » préexistant. Tout est né d’un seul coup, temps, espace, matière et énergie. Le temps n’existe pas en dehors de notre temps, ni l’espace en dehors de notre espace En bref cela revient à dire qu’il n’y a pour notre science qu’un espace-temps, celui du monde que nous habitons. Par conséquent, il est impossible de parler d’autres mondes, pour la bonne raison que nous n’avons aucune structure pour les « localiser » et les contenir.

Notre monde n’a pas d’extérieur puisqu’il est lui-même tout espace. On conçoit qu’il soit difficile dans ces conditions de parler d’un objet « univers » puisque celui-ci ne se laisse ni isoler ni examiner. Immergés dans notre monde, nous sommes dans l'incapacité d’en sortir et ne pouvons l’explorer que de l’intérieur. Signalons à ce propos un résultat curieux de la théorie, qui fait appel à des notions mathématiques délicates mais que nous allons illustrer simplement : il s’agit du fait que l’on ne peut pas définir la « masse totale » d’un univers. Expliquons-nous. En l’absence d’espace extérieur, il est évidemment exclu d’imaginer de faire tourner un corps autour de l’univers et donc exclu de mesurer la période de rotation correspondant à cette expérience impossible. Or d’ordinaire la période de rotation d’un point matériel autour d’un astre central est le moyen de déterminer la masse de ce dernier. Par conséquent, ici, l’absence de rotation autour de l’univers entraîne l’interdiction de principe de définir ce qu’est la « masse totale de l’univers ». Pas d’extérieur, donc pas de mise en orbite possible, donc pas de rotation, donc pas de période de rotation, donc pas de masse centrale. En conclusion, le concept de masse totale de l’univers est dépourvu de signification, et ce résultat montre bien que l’Univers n’est pas un objet comme un autre ! (Remarquons qu’il n’y a pas de paradoxe dans cette circonstance : ce qui à nos yeux constitue une anomalie ne fait naître aucune incohérence au niveau des équations. En l’absence de repère extérieur au monde, c’est la masse totale qui par sa présence poserait problème car elle ne pourrait pas exercer son influence sur une autre et perdrait de ce fait la signification physique qui lui est normalement attachée.)

Pour résumer la situation d'une façon imagée mais fort juste, on peut dire qu’il est impossible de « mettre l’univers dans un sac » pour l'isoler et le soupeser !

Dans le cadre de la présente discussion sur le principe anthropique cette leçon sur l’impossibilité de définir la masse totale d’un univers est porteuse d’un enseignement très précieux. Elle révèle en effet que des mots dont la signification paraît claire au premier abord peuvent s’avérer vides de sens si on les soumet à l’épreuve d’une théorie scientifique. L’expression « la masse de l’Univers » semblait tout à fait innocente et pourtant la science juge que le concept est indéfinissable. Ainsi des mots pleinement intelligibles ne signifient pas forcément quelque chose au niveau de la réalité scientifique. Or c’est bien cette question d'authentification scientifique qui est au centre de notre débat car lorsqu’ils disent d’un ton banal que « d’autres univers existent » les cosmologistes détiennent-ils vraiment la théorie les autorisant à énoncer ces paroles d’apparence neutre ?

S’il n’y a pas d’espace extérieur, il n’y a pas non plus de temps extérieur. Pour cette raison, l’idée parfois avancée de bonne foi selon laquelle notre Univers pourrait accomplir une succession de cycles, renaissant d’un nouveau big bang après chaque anéantissement, n’a pas de consistance physique car la théorie d’un « méta temps » qui contiendrait les cycles n’existe pas. En effet, dans la théorie d’Einstein, quand l’Univers disparaît, c’est le temps et l’espace qui disparaissent avec lui et il est impossible d’énoncer que pourrait succéder à chaque effondrement terminal une nouvelle phase de création et d’expansion car le terme « succéder » implique une continuité temporelle, continuité impossible à définir puisque le temps s’est évanoui. On peut regretter à ce sujet que même de grands scientifiques parlent sans précaution de « cycles » du monde : ils se trompent, et nous trompent, sur les véritables capacités de la science. En réalité (en essayant d'entendre toute la force de cette expression banalisée) il est impossible de se situer hors de l’espace-temps de notre Univers.

L’absence de structure théorique dans lequel nous pourrions situer le monde (et « des » mondes) est liée au fait que nous ne disposons pas de théorie de fabrication des univers. Certes les cosmologistes disposent d’équations susceptibles de décrire notre Univers, supposé déjà exister, et dans ces équations il est vrai qu’on ne voit pas pourquoi on ne pourrait pas s’amuser à changer les valeurs des paramètres (dans les théories les paramètres ne sont au départ que des symboles et ce n’est qu’au moment où on les applique au monde physique que l’on doit préciser leur valeur numérique). Cependant nous ne connaissons pas les règles de ce jeu et nous ne pouvons pas lui donner un sens, aucune théorie ne nous disant ce qu’il serait permis de changer ou de ne pas changer et ne nous indiquant si cette opération correspond à une « réalité » (à « la » réalité devrais-je dire !).

Une preuve de notre ignorance en la matière est donnée par le prétendu « choix » que les univers auraient d’être « ouverts » ou « fermés », c’est-à-dire respectivement infinis ou finis. Or si les équations décrivant la structure d’un univers supposé homogène et isotrope possèdent bien d’un point de vue mathématique deux types de solutions, on ne sait pas si les deux correspondent à la réalité. Raisonnablement la solution infinie (univers ouvert) devrait être écartée d’emblée parce que l’infini n’est pas une notion physique. Mais à supposer que notre Univers soit infini (même si par ailleurs cela ne veut rien dire...) les univers finis seraient-ils « permis » ? C’est-à-dire, les deux solutions « ouvert » et « fermé » sont-elles réellement possibles ? Hélas, en l’absence de théorie convenable, la question même n’a pas de sens.

Autre exemple de cette ignorance des « recettes » de création d’univers : alors que de nombreux cosmologistes certifient que notre univers aurait subi la phase d’expansion d’une extrême rapidité connue sous le nom d’inflation, aucun d’entre eux ne peut dire si ce stade d’évolution (à supposer toujours que l’on puisse parler d’autres univers) est une règle impérieuse dans la vie d’un univers ou une spécificité du nôtre.

Existe-t-il des univers ouverts et des univers fermés ? Des univers sans inflation et des univers avec inflation ? Quels univers sont possibles ? Quels univers sont réels ? La science n’a pas les moyens de répondre à ces questions, ni d’ailleurs de les poser. Les interventions des scientifiques dans ce domaine sont par conséquent illégitimes et gratuites et ne présentent pas de garanties suffisantes quant à leur exactitude et à leur signification. En bref, pour revenir au point précis qui nous concerne ici, disons que l’introduction par le principe anthropique d’une multiplicité d’univers (en nombre sans doute infini, tant qu’à faire, ce qui ne fait qu'aggraver le caractère totalement irréaliste de ces hypothèses !) n’a pas de caractère scientifique.

LA NOTION D’UNIVERS EST-ELLE COHÉRENTE ?

La théorie qui nous a offert la possibilité de décrire le cosmos est la théorie de la gravitation d’Einstein. Mais il faut réaliser que les équations de cette théorie sont des équations locales - en termes techniques des équations « différentielles » - et qu’on ne peut donc les résoudre que de proche en proche, c’est-à-dire en progressant d’une région de l’espace-temps aux régions adjacentes. Cette réalité est lourde de conséquences pour la cosmologie car cela signifie que cette discipline ne dispose pas d’équations permettant de traiter un univers dans son ensemble et souffre de ce fait d’un handicap rendant sa mission impossible. Mon affirmation semble contradictoire avec le fait que les équations d’Einstein aient permis d’aboutir, grâce à la construction de modèles globaux d’univers, à la découverte du big bang et de l’expansion de l’espace mais en vérité l’achèvement de ces modèles a été rendu possible en faisant appel à un postulat supplémentaire de caractère non nécessaire répondant plutôt à un souci de simplicité, celui de l’homogénéité. Cette hypothèse d’homogénéité est majeure, draconienne et redoutablement efficace mais n’est-elle pas en même temps circonstancielle ? Elle permet certes de court-circuiter le problème du caractère local des équations en les étendant d'un seul coup à tout l'espace-temps puisqu’elle impose brutalement que l’univers, avant tout calcul effectif (calcul que l’on devrait normalement conduire en progressant d’une cellule aux cellules voisines), aura la même densité dans toutes les cellules mais son côté arbitraire est le signe que le problème principal, c'est-à-dire l’absence d’équations globales, a été éludé, sans être résolu.

Il faudrait pouvoir justifier le postulat d’homogénéité autrement que par des arguments de convenance. Certains le légitiment par le fait que notre Univers nous paraît homogène à grande échelle (encore que la structuration de la matière en étoiles et galaxies, et des galaxies en groupes de toutes tailles et agencements les plus diverses manifeste que l’Univers est tout sauf homogène...). En particulier, la répartition du rayonnement cosmique diffus est remarquablement isotrope, ce qui indique un fort degré d’homogénéité de l’Univers primordial. Mais cet argument, parce qu’il intervient a posteriori, ne nous révèle en rien le pourquoi de la situation. Notamment, rien ne semblant imposer à un univers d’être homogène (ici encore nous n’avons pas accès à la liste des choix possibles), s’il est inhomogène le caractère local des équations d’Einstein fera que nous ne saurons pas le décrire dans son ensemble. En somme, si l’hypothèse de l’homogénéité de l’Univers « marche » relativement bien, nous ne savons pas quelle en est la raison profonde et ce résultat ne nous apprend rien sur la façon de rendre compte des univers dans leur globalité.

De toute façon, même dans le cas de l’homogénéité parfaite, l’inadéquation de nos formules à traiter d’un univers dans son ensemble reste entière pour l’autre raison que voici. La plupart des modèles d’univers issus de nos théories souffrent d’un défaut complètement rédhibitoire connu sous le nom de « problème de la causalité » et résidant en ce que les points de l’Univers se trouvent déconnectés les uns des autres à l’origine des temps, aucun signal lumineux n’ayant encore eu le temps de se propager d’un point à l’autre. On ne comprend pas alors comment des points indépendants les uns des autres peuvent former cette structure cohérente que nous appelons « univers ». Le phénomène de l’inflation (cette expansion quasi instantanée, extrêmement rapide et brutale qu’aurait subi notre Univers) a été invoqué pour tenter de résoudre ce problème mais la solution est artificielle et ne règle rien en profondeur car, étant donné que cette inflation ne possède aucun caractère obligatoire, on peut toujours se demander quel est le statut des univers sans inflation. On pourrait en dire autant de toute solution conçue pour répondre à un besoin particulier.

Voyons plus précisément en quoi consiste le problème de la causalité et le paradoxe qu’il fait naître. Vu de la Terre, notre Univers se divise en deux parties séparées l’une de l’autre par une surface sphérique portant le nom d’« horizon cosmologique ». La partie la plus proche, qui nous englobe, contient les galaxies visibles. La plus lointaine au contraire contient les galaxies invisibles à nos yeux car leur lumière n’a pas eu le temps de parvenir jusqu’à nous, compte tenu de ce que la durée du trajet lumineux ne peut évidemment pas excéder le temps qui s’est écoulé depuis le big bang, c’est-à-dire approximativement une bonne douzaine de milliards d’années. Au fur et à mesure que le temps passe et que notre Univers vieillit, cet horizon recule et la fraction observable augmente (en gros une dizaine de galaxies nouvelles entrent dans notre champ de vision chaque année). En raisonnant dans l’autre sens, c’est-à-dire en remontant le temps pour se placer de plus en plus près du big bang, les équations montrent que la fraction observable d’univers devient de plus en plus petite, en contenant de moins en moins de matière, jusqu’à devenir mathématiquement nulle, ce qui indique qu’au big bang, en un point quelconque de l’univers, aucun signal n’avait pu parvenir des points voisins et que par conséquent tous les points de l’Univers s’ignoraient. D’où le paradoxe : comment des points déconnectés les uns des autres, indépendants, peuvent-ils constituer une entité appelée « univers » ? D’où notre Univers tire-t-il sa cohésion ? D’où vient son apparente homogénéité ? Il faut le reconnaître : il n’existe pas de théorie globale d’univers.

On peut assez justement dire que les équations de la relativité générale ignorent ce qu’est un univers. Dans ces conditions il est bien présomptueux de la part des cosmologistes de discuter de la valeur à donner aux constantes universelles et leurs prétentions à parler sans aucune réserve de l’univers dans son ensemble, comme s’ils maîtrisaient la question, sont excessives. Quant aux artisans du principe anthropique, faute de théorie de portée universelle, la science ne leur donne le droit ni de parler des paramètres universaux ni de gloser sur la façon dont ceux-ci auraient été fixés.

LA COURBURE DE NOTRE UNIVERS EST-ELLE EXCEPTIONNELLEMENT FAIBLE ?

Une autre affirmation se propage avec succès (et rapidité !) depuis une vingtaine d’années et concerne la courbure de notre Univers. Selon les conclusions de la grande majorité des cosmologistes notre Univers serait « plat » et cette situation reflèterait ici encore un choix incroyablement précis de la densité de matière aux premiers instants de l’Univers. Mais cette affirmation repose sur une fausse interprétation des théories scientifiques.

En premier lieu, les cosmologistes déclarent très souvent que c’est la densité de matière qui détermine le type d’un univers (en ajoutant que cette densité a été le plus minutieusement « choisie » pour notre Univers). On les entendra dire par exemple que si la densité de matière est plus forte qu’une certaine densité critique la gravitation sera assez puissante pour « fermer » l’univers (le replier sur lui-même en quelque sorte). Inversement, si elle est plus faible, l’univers sera « ouvert ». Mais cette façon d’énoncer les choses est grossièrement fausse car c’est l’univers qui détermine la densité et non l’inverse. Il faut savoir que ce sont des équations qui donnent la valeur des différents paramètres physiques d’un univers courbe en fonction de son âge et que par conséquent ces quantités ne sont pas arbitraires. Ainsi, une équation donne bien la densité d’un univers à tout instant mais comme la forme de cette équation dépend du type d’univers choisi c’est bien le type d’univers qui fixe la valeur de la densité et non la densité qui fixe le type d’univers. Au départ, il faut choisir le type d’univers, soit fermé (fini), soit ouvert (infini), ce qui veut dire choisir l’un des deux systèmes d’équations possibles, et une fois ce choix effectué la densité est donnée de manière irrévocable. L’erreur de raisonnement consistant à inverser cette situation, en ayant l’air de considérer que la densité est un paramètre libre alors qu’il n’en est rien, est vraiment choquante de la part d’astrophysiciens et conduit à des aberrations. Il est en effet absurde de penser qu’on pourrait transformer un univers infini (ouvert) en univers fini (fermé) en lui rajoutant simplement de la matière ! Où l’univers est infini et il reste infini, ou il est fini et il reste fini : c’est la densité qui s’ajuste en conséquence.

Autrement dit, il est outrageusement faux de prétendre sans autre précision que "les paramètres de l'Univers auraient été ajustés" de façon à réaliser certaines conditions. En réalité, dans l'hypothèse (à justifier !) où on suppose qu'il y a eu choix, il faudrait dire que d'abord le type d'Univers a été choisi (ouvert ou fermé) et qu'ensuite seulement, ses paramètres ont été ajustés de telle et telle façon.

L’autre erreur grossière a trait à l’interprétation de la platitude apparente de notre Univers. La platitude, c’est l’absence de courbure, mais il faut préciser que la courbure de l’espace n’est appréciable que si on conduit l’observation sur une échelle de distance suffisamment grande et qu'au contraire, dans une portion trop limitée d'espace-temps, la courbure est indétectable. De façon analogue la courbure de la Terre est imperceptible à l’échelle d’un jardin potager car la dimension de ce jardin est trop petite relativement au rayon terrestre. C'est mon « théorème du jardin », qui s'énonce : « à l'échelle d'un petit jardin, la Terre paraît plate ». Or, par suite du temps nécessaire à la lumière pour parcourir les distances qui nous séparent des autres galaxies, la taille de la partie visible de notre univers est limitée à une " sphère d'horizon ", comme nous l'avons expliqué plus haut, surface au-delà de laquelle les galaxies sont inobservables parce que leur lumière n'a pas eu le temps de parvenir jusqu'à nous. Mais, théorème du jardin oblige, si les dimensions de cette partie visible dont trop réduites, la courbure de l'espace-temps se trouvera indétectable et l'Univers paraîtra plat.

La situation évolue avec le temps et un univers ne manifeste sa courbure que lorsqu'il est suffisamment évolué. Voici pourquoi. Nous avons vu à propos du problème de la causalité que juste après le big bang un point donné ne perçoit que les points immédiatement adjacents (la lumière n'ayant pas eu le temps de parvenir de points plus lointains) et ne distingue donc qu'une portion extrêmement réduite de l'univers total. Il en résulte qu'il est impossible en ces premiers instants de détecter aucune courbure : inéluctablement, en tout point, l'espace semble plat. Ce n'est qu'ensuite que l'horizon recule progressivement au cours du temps, ce qui permet à de nouvelles galaxies de faire leur apparition dans notre champ de vision. Corrélativement la portion visible de notre Univers grandit petit à petit et de ce fait sa courbure se dévoile graduellement. Elle devient notable lorsque l'univers atteint son âge de maturité, un fameux paramètre de nos modèles d'univers (notre Univers, avec ses douze ou quinze milliards d'années d'âge, n'a sans doute pas encore atteint sa maturité, sinon il ne paraîtrait pas plat).

Résumons-nous : aux premiers instants tous les univers naissent plats. Notre Univers n’est donc pas à cet égard, contrairement à ce qui est dit et répété, extrêmement « particulier ». Oui ! Tous les univers naissent plats : pourquoi cette vérité est-elle dissimulée ?

LA RAISON ULTIME DE L’INCOHÉRENCE DE NOTRE COSMOLOGIE CONTEMPORAINE

Des nombres incroyablement petits sont souvent cités dans ce contexte de platitude, pour donner une idée de la précision avec laquelle notre Univers serait réglé. Que ce soit le réglage de la densité qui soit invoqué, ou celui d’autres quantités (comme par exemple le taux d’expansion), les nombres sont toujours de l’ordre de l’inverse de 10 à la puissance 60, ou d’une puissance de ce nombre (le carré par exemple, ou la racine carrée). Peu importe d’ailleurs la valeur ou la quantité considérées car l’origine de quantités aussi infimes (ou gigantesques, selon qu’on prend le nombre ou son inverse) est la même dans tous les cas et elle est extrêmement facile à pointer : elle se situe dans la coexistence forcée de deux échelles fondamentalement incompatibles, l’échelle cosmique et l’échelle quantique. J’explique.

Les spécialistes de physique atomique, qui étudient la physique des tout premiers instants de l’univers, privilégient un temps caractéristique connu sous le nom de « temps de Planck », au point d’en faire leur unité de temps (incidemment, c’est le temps le plus petit que la physique puisse concevoir, car en dessous de cette valeur, la notion même de temps n’a plus cours). Ces physiciens prennent donc le problème de l’univers à partir de cette époque et veulent écrire les équations de la relativité d’Einstein à ce moment-là. Le problème rencontré est alors le suivant. Notre Univers est caractérisé, nous l’avons dit, par son âge de maturité et donc, forcément, ce paramètre va intervenir dans les équations. Peu importe dans notre discussion sa valeur « exacte » mais nous pouvons sans doute donner un ordre de grandeur (et de toutes façons une limite inférieure) en prenant l’âge actuel de l’Univers, disons une douzaine de milliards. Le problème soulevé alors est que la mécanique quantique, sur laquelle se basent nos physiciens théoriciens, ne peut pas « imaginer », c’est-à-dire construire, un tel nombre à partir des considérations qu’elle développe dans son domaine. Autrement dit, comme la physique quantique ne reconnaît pas le temps cosmique que lui impose la réalité et qu’elle-même se place au temps de Planck, elle se retrouve devant une incohérence.

Si le temps cosmique est étranger au quantique, en sens inverse l’incompatibilité de l’atomique face au cosmique est tout aussi flagrante. En effet, lorsqu’on prend cette fois les équations d’Einstein et qu’on les applique au temps de Planck, on tombe sur des absurdités physiques car il est évident que le concept de courbure, valable sans doute à l’échelle des corps célestes, perd toute pertinence à l’échelle d’un atome. Et c’est justement en voulant calculer une telle courbure (ou, dans des contextes équivalents, des paramètres mesurant certaines quantités macroscopiques) que l’on obtient ces nombres « aberrants », prodigieusement petits, auxquels j’ai fait allusion. L’origine de l’aberration est donc dans l’opposition irréductible entre le cosmique et l’atomique.

En conclusion, ce qui est présenté comme d’extraordinaires coïncidences (ou comme un ajustement d’une précision incroyable) ne fait que refléter l’ignorance de notre science dans son incapacité à faire coexister la théorie atomique (c’est-à-dire la mécanique quantique) et la théorie cosmique (c’est-à-dire la théorie einsteinienne de la gravitation).

Il est facile de chiffrer le degré d’incompatibilité. Le temps de Planck vaut en gros 10 puissance (-43) seconde alors que l’âge de l’Univers vaut en gros 10 puissance 17 secondes. Donc 60 multiplications par 10 séparent les deux échelles et par conséquent ce sont des nombres tels que 10 puissance 60 (ou puissance 30, ou puissance 80, etc.) que l’on va rencontrer quand on cherche à tout prix à emboîter les deux mondes.

Le plus étrange de l’histoire pour moi est que tous les physiciens et les cosmologistes semblent s’accorder sur le fait que les théories de l’atome et du cosmos sont incompatibles. Mais alors pourquoi s’obstinent-ils à essayer de les faire vivre ensemble ? Il n’est pas étonnant qu’on arrive à des aberrations comme le principe anthropique pour réconcilier ce qui est irréconciliable. Ne vaudrait-il pas mieux prendre acte de l’incompatibilité entre les deux physiques ?

LA COSMOLOGIE EST-ELLE UNE SCIENCE ?

Les cosmologistes ne voudront sans doute pas l'admettre mais selon moi la conclusion de cette discussion est claire : contrairement à ce qu’ils voudraient faire croire la cosmologie n’est pas une science. Plus précisément, je veux dire que la science de notre Univers, avec une majuscule, ne constitue pas telle quelle une science des univers, avec une minuscule. En effet, nous ne disposons pas de la moindre théorie sérieuse et passée à l’épreuve des faits (quels faits d’ailleurs ?) capable d’appréhender l’existence et la fabrication d’univers multiples. En prétendant le contraire, les scientifiques concernés nous trompent. Le dérapage dans la rectitude de pensée que représente le principe anthropique est peut-être le symptôme éloquent de cette contradiction entre la réalité, à savoir l’absence de théorie des univers, et le discours sur les univers, discours présupposant au contraire l’existence de cette théorie (dans la mesure, évidemment, où ce discours se prétend scientifique, ce qui est bien le cas que nous discutons ici puisque je vise explicitement et uniquement les scientifiques eux-mêmes).

L’insondable problème, la science ne peut pas l’éliminer : nous n’avons qu’un Univers. Et la science, par essence, répétons-le, ne peut pas digérer l’unicité. En face de cette situation, le principe anthropique apparaît comme une révolte de la pensée, une pensée incapable d’accepter la réalité et cherchant à « refaire le monde », en quelque sorte selon moi pour reprendre la maîtrise d’une chose qui lui échappe. À chacun d’apprécier l’irrationalité d’une telle posture.


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Dernière modification : 16 septembre 2005