Cosmologie fastoche (3/3)

Part 3: à l’assaut du principe anthropique

Récapitulons: L’univers s’est sans doute formé il y a un peu plus de 13 milliards d’années; il est homogène, isotrope et respecte bien les règles de géométrie du genre « la somme des angles des ses triangles fait 180° » et « le périmètre d’un cercle vaut son diamètre fois pi », bref il est « euclidien ». Son avenir est de s’agrandir de plus en plus vite et indéfiniment mais on notre univers observable, lui, est de taille finie et constante. L’exploration du passé est bien plus spéculative et pleine de surprises…

Le fonds diffus cosmologique ou pourquoi les métaux sont toujours opaques
Aussi loin qu’on le regarde, l’univers s’étend de plus en plus vite. Si l’on remontait dans le temps, on le verrait donc se contracter de plus en plus et devenir de plus en plus dense et chaud, comme un gaz qu’on comprime dans un piston. Or au-dessus d’une certaine température, vers 3000K environ, le gaz se transforme en plasma, sorte de soupe brûlante dans lequel tous les atomes sont ionisés et où les électrons se promènent librement comme dans un métal conducteur. Et comme le métal, le plasma est complètement opaque à la lumière: tout photon tentant de le traverser est immédiatement absorbé par un électron passant dans le coin. Impossible de voir au travers de la surface du soleil, même avec des filtres sophistiqués, car sa surface est justement à l’état de plasma. Notre jeune univers n’est donc devenu « transparent » que lorsque sa température est passée en dessous de 3000 degrés.

Impossible de scruter quoique ce soit d’avant 300 000 ans avec nos appareils de mesure! Dès qu’on regarde très très loin dans l’espace, on tombe immanquablement sur ce qui reste du rayonnement de ce plasma initial. Ce fond diffus cosmologique (surface of last scattering) nous parvient sous une forme extrêmement atténuée car sa longueur d’onde a été considérablement augmentée au cours de l’expansion de l’univers et masque complètement ce qui a pu se passer avant cette période.

Carte de la sphère céleste montrant les fluctuations (ou anisotropie) du fond diffus cosmologique observées par le satellite WMAP (source: Wikipedia)

Des brisures de symétrie miraculeuses

Tous les événements importants de l’univers se seraient produits à la fin de l’inflation. Un peu comme un corps qui change de phase quand sa température descend. Or en physique, tous les changements de phase par refroidissement provoquent aussi la perte de certaines symétries du système: – Quand l’eau (ou tout autre liquide) cristallise en glace, ses molécules s’ordonnent selon certaines directions précises au lieu d’être distribuées aléatoirement;- Lorsqu’un métal ferromagnétique est refroidi en dessous de sa température de Curie, il s’aimante subitement et son champ magnétique s’oriente selon une direction privilégiée; – Lorsque la température passe en dessous du seuil de la supraconductivité (ou de la superfluidité), les électrons libres d’un métal ou les atomes d’un liquide cessent de circuler dans tous les sens et synchronisent brusquement leurs mouvements.

De la même manière, de nouvelles propriétés ont pu subitement émerger dans l’univers à mesure qu’il refroidissait. Avant l’inflation il formait une soupe indifférenciée, parfaitement homogène et isotrope, où toutes les interactions faibles, fortes et électromagnétiques étaient unifiées. Dès la fin de l’inflation, vers 10^-35 secondes les premières particules (photons, quarks etc) font leur entrée en scène. Vers 10^-34 secondes, l’interaction forte se distingue des autres interactions, suivie par la force faible aux environs de  10^-12secondes.

La prééminence de la matière sur l’antimatière pourrait aussi provenir du même type de brisure de symétrie: A température très élevée, les photons ont suffisamment d’énergie pour donner naissance à des couples de particule-antiparticule. Lors du refroidissement de l’univers, le phénomène s’inverse et chaque particule de matière se détruit au contact de sa jumelle antimatière, en libérant  un photon à chaque fois. Or s’il y avait eu exactement autant de matière que d’antimatière, cette grande annihilation collective aurait vidé entièrement l’espace et nous ne serions pas là pour en parler. On suppose donc qu’il a pu se trouver par hasard un très très léger déséquilibre dans  le nombre de particules et d’antiparticules, de l’ordre de 1 pour 1 milliard. Ce tout petit déséquilibre expliquerait que l’antimatière ait entièrement disparu et que les photons soient environ 1 milliard de fois plus nombreux que les particules de matière. Toute la matière de l’univers actuel ne serait que le minuscule résidu de l’impitoyable guerre entre matière et antimatière dont seule une particule sur un milliard est sortie vivante. Nous sommes peu de choses…

Quand la symétrie d’un système se brise, il est en général difficile d’en prédire l’issue exact: quand une toupie ralentit, on sait qu’elle va tomber mais il est impossible de savoir de quel côté. Lorsque le générateur à eau de Kelvin se charge spontanément d’électricité, bien malin qui pourra deviner par avance lequel des deux récipients sera le pôle positif. Il en va de même pour pour les constantes fondamentales qui sont associées aux masses des particules élémentaires, ou aux caractéristiques des interactions fondamentales (qu’on appelle aussi constantes de couplage). Or les physiciens sont perplexes car si ces constantes fondamentales avaient été différentes de leur valeur actuelle, le monde qui nous entoure n’aurait pas eu la moindre chance de se créer. Les noyaux atomiques n’existent que parce que la constante de structure fine (qui caractérise la force faible) vaut exactement 1/137, que les quarks sont incroyablement légers, que la force électromagnétique est très faible à courte portée etc. Les galaxies n’ont pu se former que grâce à l’extrême faiblesse de la constante de gravité G, à la minuscule valeur de la densité du vide etc. Bref, les conditions grâce auxquelles nous sommes là relève d’un très très improbable concours de circonstances, de l’ordre d’une chance sur plusieurs millions de milliards! Par quel miracle existons-nous? Cette éternelle interrogation métaphysique est redevenue d’actualité sous l’appellation moderne de « principe anthropique ».

Le scénario des multivers: science ou fiction?

(crédit: Gabriel Caprav)

Il n’y a pas trente-six possibilités pour aborder le problème:

- soit on se dit qu’il existe une règle encore inconnue qui explique pourquoi les constantes fondamentales ont pris pile poil les bonnes valeur. Le problème c’est que les chercheurs ne voient pas quel principe pourrait justifier une telle règle…

- soit on déclare la science forfait et on invoque une explication mystique, volonté supérieure, dessein intelligent, etc.

- soit on s’en remet aux statistiques: pour que l’improbable se réalise, il suffit de tenter sa chance suffisamment de fois! L’univers dans lequel nous sommes ne serait qu’un exemplaire particulier parmi un nombre prodigieusement élevé d’autres univers formés en d’autres temps et en d’autres lieux, avec chacun des paramètres physiques différents. Un peu comme la bibliothèque imaginaire de Borgès qui contient tous les livres possibles comptant 410 pages sur lesquels sont imprimés une combinaison unique de 25 symboles (22 lettres et 3 signes de ponctuations). Dans une telle bibliothèque tous les chef-d’oeuvre existent (pourvu qu’ils tiennent en 410 pages), il suffit de bien chercher pour les trouver. C’est ce scénario de « multivers » que défend Léonard Susskind et avec lui un nombre croissant de physiciens, afin d’expliquer l’improbable combinaison gagnante qui fait de notre univers un système propice à la vie.

source: ici

Pure spéculation? Pas forcément. Plusieurs arguments viennent appuyer cette hypothèse.

1) La théorie des cordes, l’une des seules théories cohérentes permettant d’unifier la mécanique quantique et la relativité générale, prévoit justement d’immenses degrés de libertés dans les types d’univers possibles. C’est d’ailleurs ce que lui reprochent des détracteurs comme Lee Smolin: quel est l’intérêt d’une théorie qui autorise jusqu’à 10 ⁵⁰⁰ configurations d’univers possibles? Mais vu sous l’angle du principe anthropique, ce qui passait pour une faiblesse devient un véritable argument en faveur d’une explication statistique du principe anthropique. Après tout il n’y a rien de miraculeux à tirer au sort une valeur égale à 10^-121 si l’on fait 10⁵⁰⁰ tirages différents.

2) L’inflation initiale a doté l’univers d’une taille gigantesque, s’étendant bien au-delà de la dizaine d’années-lumières de notre univers observable. Une immensité idéale pour qu’un nombre suffisamment grand de parcelles d’espaces puissent laisser leur énergie du vide prendre toutes sortes de valeurs différentes sous l’effet des fluctuations quantiques. Ces parcelles formeraient ensuite autant de « bulles-univers » vivant leur propre destin gouverné par un ensemble de constantes fondamentales particulières:

(source: ici)

Je vois aussi un argument encourageant dans le fait que l’univers finisse complètement vide, exactement comme il a commencé. En effet, lorsque les étoiles auront toutes épuisé leur carburant interne, elles s’effondreront sur-elles mêmes et termineront toutes en trous noirs, dans environ 10¹⁰⁰ ans. Mais les trous noirs eux-mêmes ne sont pas éternels car ils « s’évaporent » très lentement. D’après l’astrophysicien Sean Carroll notre espace redeviendra entièrement vide d’ici 10 puissance 10¹²³ans.

Le cycle est certes effroyablement long, mais on sera finalement revenu à la case départ, avec la possibilité de fluctuations quantiques qui peuvent donner lieu à un nouveau big bang, avec d’autres valeurs pour l’énergie du vide, donc d’autres brisures de symétries et finalement d’autres constantes fondamentales pour le nouvel univers. Sur une échelle extraordinairement grande, disons sur 10 puissance 10 puissance 10¹⁰⁰⁰ ans,  des milliards de milliards d’univers auraient ainsi la possibilité de se succéder les uns derrière les autres. Notre univers actuel ne serait qu’un de ces innombrables univers qui, par hasard aurait pioché les bonnes valeurs permettant à la vie d’exister.

Longue vie au proton!

Évidemment tout ça reste très spéculatif. Un scénario aussi loufoque ne gagnera ses galons de crédibilité scientifique qu’à condition de faire quelques prédictions permettant d’en tester la validité. Ce n’est évidemment pas facile puisque les autres univers sont par définition hors de notre portée. On peut cependant tester indirectement la validité du concept en trouvant des constantes pour lesquelles le principe anthropique fixe un minimum mais pas de maximum (ou l’inverse). Si la théorie des multivers est avérée, la statistique voudrait que la mesure de la constante n’ait rien à voir avec la valeur critique calculée au moyen du principe anthropique.

Bon, c’est un peu abstrait alors prenons l’exemple du proton. Nous ne pourrions exister si le proton avait une durée de vie trop courte, car sa désintégration signifierait celle des noyaux atomiques dont est constitué l’univers. Vu la quantité de protons qui forme notre organisme, Susskind estime qu’une durée de vie supérieure à un million de fois l’âge de l’univers (10¹⁶ années) est nécessaire à notre survie. Or jusqu’ici toutes les expériences tentant de détecter une désintégration spontanée de proton ont échoué, ce qui implique une longévité du proton supérieure à 10³³ans. Bien au-delà de ce qu’exige le principe anthropique, et donc en parfaite cohérence avec une théorie de type multivers. C’est mince comme confirmation, mais c’est un début. Reste à espérer qu’on trouvera d’autres manières de multiplier ce genre de tests prédictifs pour faire avancer la réflexion.

Bien sûr, il y a beaucoup d’autres théories concurrentes de celle-ci, mais je trouve amusante l’idée que la physique moderne emprunte à la biologie des concepts qui lui étaient plutôt étrangers jusqu’ici, comme le hasard et la sélection naturelle (pour la prolifération des univers), ou encore l’émergence et l’auto-organisation (pour les propriétés physiques de notre univers). Et comme en biologie, on en revient finalement au bon vieux débat entre les tenants d’une explication divine et ceux qui comme Laplace bataillent pour ne pas avoir besoin de faire cette hypothèse.

Sources:
Léonard Susskind, Le paysage cosmique (2007) et ses cours de Stanford (sur Youtube)
Le Dossier de Pour la Science sur la face cachée de l’Univers (avril-juin 2011)
Regardez aussi ce très bon show de Sean Carroll sur le sujet:

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