AN 2000 : LA SCIENCE TOURNE-T-ELLE EN ROND ?


La science a accompli de telles prouesses au cours du siècle dernier que certains ont pu croire que ses pouvoirs étaient quasi illimités.
Cependant son développement marque le pas.
Ne serait-elle pas engagée dans des impasses, à la fois théoriques et techniques ?


Christian Magnan
Collège de France, Paris
Université de Montpellier II


L'heure des bilans

 

An 2000 : c'est une banalité de se livrer à un bilan en une fin de siècle (de millénaire même). Cependant, au-delà du symbolisme de la date, il faut dire que l'époque se prête particulièrement bien à l'exercice parce qu'après un développement foudroyant la science marque le pas dans bien des domaines. Par exemple l'envoi d'hommes et de femmes dans l'espace, après le succès des missions lunaires, n'a pas retrouvé d'allure de croissance ni ne s'est stabilisé à un rythme de croisière. Par exemple le débat cosmologique s'enlise sans montrer de signe de progrès. Par exemple aucune découverte théorique majeure n'a marqué la deuxième moitié du siècle.

Comme lors d'une pause au cours d'une promenade, c'est le moment de se retourner, de mesurer le chemin parcouru et de contempler le panorama. Quelles perspectives se dessinent pour ces années 2000 ? L'idée que j'exposerai, c'est que le paysage scientifique est en partie bouché, que la science est à court d'idées fructueuses, qu'elle s'investit regrettablement dans une hyper-productivité quantitative artificielle destinée à masquer les manques qualitatifs ou se précipite dans des projets aux succès incertains.

Pour présenter mon point de vue, je vais examiner successivement trois questions-clés qui ont agité la communauté scientifique au cours de ce siècle et qui me paraissent spécialement riches d'enseignements. En 1900 nous ne savions pas si l'âge de la Terre se comptait en centaines de millions ou en milliards d'années ; nous ne savions pas si l'Univers se réduisait à notre Voie Lactée ou s'il était composé de galaxies extérieures à la nôtre ; nous ne comprenions pas comment l'atome d'hydrogène pouvait être stable.

1900 : le débat sur l'âge de la Terre

 

PREMIER DÉBAT : L'ÂGE DE LA TERRE

Au début du vingtième siècle un grand débat sur l'âge de la Terre animait la communauté scientifique. D'un côté les géologues et les paléontologues avaient besoin de plus d'un milliard d'années pour permettre aux sédiments de se déposer et aux différentes espèces animales d'évoluer. Les uns disposaient d'observations convaincantes relatives aux hauteurs de couches sédimentaires, les autres possédaient des preuves irréfutables de la durée de transformation des espèces grâce aux fossiles. De l'autre côté, les physiciens et astrophysiciens, forts de leurs calculs théoriques, n'accordaient à la Terre et au Soleil que quelques maigres centaines de millions d'années d'existence, insuffisantes pour expliquer les observations.

Géologues contre physiciens

 

Qui avait raison ? Les observateurs ou les théoriciens ? Les géologues ou les physiciens ? On sait que ce sont les géologues, voici l'histoire.

Combien de temps la Terre peut-elle conserver sa chaleur ?

 

Les premières estimations scientifiques modernes de l'âge de la Terre remontent à Buffon. Celui-ci partit de l'hypothèse que la chaleur actuelle de notre planète était le résidu d'un puissant chauffage initial, la Terre ayant été portée à l'origine à très haute température et se refroidissant depuis lors. Il mesura alors le temps que mettaient des balles de taille et substance diverses à se refroidir après avoir été chauffées à blanc. En extrapolant ses résultats à un globe de la taille de la Terre, il estima qu'une Terre initialement en fusion aurait mis quelque 36 000 ans à atteindre une température assez basse pour permettre aux composés organiques d'apparaître puis qu'environ 39 000 ans se seraient écoulés depuis cette époque. Ces premières estimations eurent beaucoup de succès et le désir de les fonder sur des bases théoriques plus solides conduisit Fourier à développer sa théorie de la conduction de la chaleur.

Lord Kelvin estime l'âge de la Terre

Trouvez l'erreur

 

Sur la base de ces travaux Kelvin estima en 1862-1863 dans des articles restés célèbres que l'âge de la Terre et du Soleil était compris entre 100 et 500 millions d'années. Ces nombres allaient fournir matière à débat pendant près de cinquante ans.

En effet les publications de Kelvin suivaient de quelques années la première édition de l'Origine des Espèces de Darwin. Or bien vite se manifesta l'incompatibilité entre les échelles de temps qu'impliquait l'évolution des espèces et la chronologie théorique décrite par les physiciens. Après des décennies de débats passionnés (et passionnants !) la plupart des biologistes et des géologues étaient convaincus vers la fin du dix-neuvième siècle que l'échelle de temps qu'ils proposaient était la bonne, les observations fournissant des preuves irréfutables. Kelvin avait donc tort. Mais où se situait l'erreur ?

Même si on pouvait admettre de larges marges d'incertitudes sur la durée de refroidissement de la Terre et donc, en tirant sur les nombres, arriver à un âge de l'ordre de 4 milliards d'années, restait le problème insoluble du Soleil. La seule source efficace d'énergie connue était l'énergie gravitationnelle, celle associée à la chute initiale de la matière constitutive de l'astre et celle résultant de sa contraction ultérieure. Mais une telle source ne pouvait fournir de l'énergie que pendant quelques dizaines de millions d'années, un nombre bien insuffisant pour les géologues.

Existait-il une source inconnue d'énergie ?

 

C'est à ce stade que commença à être formulée l'hypothèse, folle en apparence, qu'il existait peut-être une source d'énergie inconnue.

L'intervention de Thomas C. Chamberlain (1843-1928 ; premier titulaire de la chaire de géologie à l'Université de Chicago) en 1899 en faveur de cette hypothèse me fascine. Ce professeur estime que les connaissances en physique atomique de son temps n'étaient pas suffisantes pour permettre d'affirmer l'inexistence d'autres sources d'énergie que celles que nous connaissions alors. Leur existence était au contraire selon lui plausible et susceptible de se manifester, précisément, au centre de ce Soleil dont on n'arrivait pas à expliquer la longévité. L'analyse de la physique atomique à laquelle il se livre est particulièrement pertinente. Rappelons qu'à l'époque la structure de l'atome était encore inconnue (nous verrons plus loin qu'elle ne sera découverte qu'en 1911). Or, Chamberlain émet l'hypothèse que l'atome n'était pas une particule élémentaire insécable mais au contraire un assemblage d'entités plus petites et qu'une telle structure, par les forces de cohésion qu'elle supposait, recélait d'immenses réserves d'énergie. Il insiste aussi sur le fait que les conditions de température et de pression régnant au centre du Soleil étaient suffisamment extraordinaires (les lois de la physique montraient que la température centrale du Soleil se chiffrait en millions de degrés) pour qu'apparaissent des processus physiques inconnus.

L'avenir donna raison à ceux qui pariaient sur l'existence d'une forme nouvelle d'énergie lorsqu'Einstein découvrit la fameuse équivalence entre masse et énergie et la possibilité pour d'infimes quantités de matière de se transformer en prodigieuses quantités d'énergie. À l'intérieur du Soleil, quatre atomes d'hydrogène réalisent leur fusion pour former un atome d'hélium. Comme la masse de ce dernier est inférieure à la somme des masses des quatre atomes d'hydrogène ayant fusionné, chaque réaction fournit un excédent de masse, qu'elle libère sous forme d'énergie.

Pourquoi maintenant était-il relativement raisonnable de défendre l'hypothèse osée que Chamberlain (avec d'autres) avançait ? Il y avait deux motifs. D'une part, la science butait sur un problème remarquablement bien posé, à savoir que les estimations de l'âge de la Terre, l'une théorique, l'autre observationnelle, ne concordaient pas et qu'il fallait bien résoudre la contradiction. D'autre part, on était en train de prendre conscience de la structure des molécules et des atomes. On subodorait que ces particules étaient constituées d'unités encore plus simples et on sentait que tout un monde allait s'ouvrir, celui de l'infiniment petit. Inconnu, ce monde pouvait révéler bien des surprises.

En 2000, nous connaissons sans doute toute la physique « utile »

En 2000, nous avons identifié toutes les sources d'énergie

 

Si je rapporte ces faits, c'est pour établir un contraste avec la situation présente et mettre en avant qu'à l'heure actuelle nous ne sommes plus du tout dans une configuration similaire. D'une certaine façon on peut dire que nous connaissons toute la physique, particulièrement celle qui nous concerne à l'échelle humaine, et que nous avons identifié toutes les sources d'énergie possibles. Et cette remarque va se révéler lourde de conséquences.

J'entends d'ici le tollé que cette propositions peut déchaîner (j'en ai déjà fait l'expérience) mais il ne s'agit pas de provocation gratuite. Évidemment je ne déclare pas que nous connaissons et comprenons tout. Il reste un multitude de questions non résolues, et je suis le premier à le souligner. Par exemple, en astrophysique, nous sommes bien incapables de décrire la complexité des mouvements de gaz observés dans les étoiles, dans la matière circumstellaire et interstellaire ; par exemple nous n'avons aucune piste théorique sérieuse permettant de modéliser la formation des condensations de matière (formation des étoiles, des systèmes planétaires, des galaxies) ; par exemple nous sommes complètement impuissants à théoriser l'évolution des galaxies et à indiquer le rôle qu'y tiennent les quasars.

Le meilleur exemple de notre ignorance est l'apparition de la vie, sur laquelle nous ne connaissons pratiquement rien, qu'il s'agisse de la formation d'eau liquide, de celle de l'atmosphère primitive, de la constitution des premières molécules prébiotiques et des composés organiques qui forment les pièces de l'ADN.

Mais pour toutes ces questions pendantes aucun physicien sérieux n'oserait avancer l'hypothèse que des lois physiques inconnues sont à l'oeuvre (encore moins des miracles !). Nous partons de l'idée, sans doute juste, que nous connaissons la physique de base nécessaire, même si nous sommes incapables de savoir comment elle s'applique dans la pratique. J'ai d'ailleurs évoqué en d'autres pages cette incapacité récurrente de la science à passer de la théorie à la pratique.

Paradoxalement la situation est d'autant plus frustrante. En somme, nous avons les outils (les lois fondamentales de la physique) mais nous ne savons pas nous en servir. C'est en ce sens qu'on peut dire que nous connaissons toute la physique mais qu'en même temps l'affirmation paraît choquante.

Nous avons identifié toutes les sources d'énergie possibles, la plus puissante étant l'énergie nucléaire. Il existe assurément des quantités de phénomènes violents dans l'Univers dont nous comprenons mal l'origine et le développement. Mais dans tous les cas, on peut établir un bilan d'énergie correct et raisonnable qui n'implique nullement d'autres sources que le nucléaire. Pour estimer l'ordre de grandeur des nombres en jeu il suffit de se rappeler que notre Soleil peut briller pendant (en gros) 10 milliards d'années. Autrement dit, une masse solaire (c.-à-d. une masse égale à celle du Soleil) fournit une puissance solaire (une puissance égale à celle dispensée par le Soleil) pendant dix milliards d'années. Par conséquent, du seul point de vue du bilan énergétique, une masse solaire peut aussi engendrer une explosion lumineuse d'une luminosité phénoménale de dix milliards de fois la luminosité solaire (comme cela a déjà été observé dans le cas de supernovae) pendant un an : le compte est bon car l'énergie totale fournie, égale au produit de la puissance dégagée par la durée du phénomène, sera la même dans les deux cas ! On comprend aussi qu'avec des masses atteignant le millier ou le million de masses solaires (une broutille dans l'Univers !), les cieux soient le siège d'événements d'une force incroyable (restant toutefois mesurable et ne nécessitant pas d'énergie exotique !).

Enfin en l'an 2000 ne se pose pas de question cruciale mettant en lumière un désaccord flagrant entre la théorie et l'expérience, au point de remetre en cause cette théorie. (Nous reviendrons plus loin sur la question du big bang et des modèles d'univers. Ce problème est fort différent parce que la cosmologie n'affecte pas notre vie humaine et qu'en outre nous savons de façon certaine là où la théorie est défaillante. Autrement dit, nous savons que nous ne savons pas.)

L'exploration spatiale a atteint ses limites

Notre patrie, c'est la Terre; impossible de la quitter

 

Corollaire de la proposition selon laquelle toute la physique qui nous concerne réellement est connue : tributaire d'une physique répertoriée, l'exploration spatiale ne peut pas se développer très au-delà de son état actuel.

Nous ne pouvons pas changer les lois de la physique. La propulsion d'un engin spatial repose sur la loi de l'action et de la réaction, laquelle affirme que pour pousser la fusée vers l'avant avec une certaine vitesse, il faut éjecter vers l'arrière une certaine masse de carburant avec une certaine vitesse. Les valeurs des vitesses et des masses en jeu sont calculables par des formules implacables qui seront toujours valables. Il n'y a pas de miracle possible. Techniquement parlant ce qui compte c'est le produit de la masse par la vitesse (produit appelé quantité de mouvement). Par conséquent, quoiqu'on fasse, il faut éjecter de la masse, et comme la masse « perdue » est toujours de l'ordre de plusieurs fois la masse de la charge utile, il est très coûteux de satelliser des objets massifs et de leur imprimer de grandes vitesses.

Il est un fait que l'exploration spatiale n'a pas poursuivi son rythme de développement initial et qu'actuellement elle piétine. Grosso modo nous avons accompli tout ce que nous pouvions accomplir. Il n'y a plus ni hommes ni femmes présents dans l'espace de façon régulière. Tout projet de vols prolongés habités est abandonné hormis la construction de la station spatiale internationale (dont l'utilité est en outre contestée par certains). D'ailleurs si ce satellite circumterrestre tient surtout à une affaire d'argent (mais cet élément intervient aussi... pourquoi dépenser des sommes colossales ?) l'« exploit » ne représente rien relativement aux difficultés fabuleusement plus accusées d'aller sur une autre planète. On ne peut pas dire que ce soit un premier pas vers la colonisation du système solaire.

On découvrira à ce sujet avec le plus grand profit une analyse objective et complète menée par André Lebeau de la politique spatiale de l'humanité et de sa tentative (sa tentation ?) de coloniser l'espace.

Nous ne sommes pas retournés sur la Lune. La conquête de Mars par des êtres humains n'est pour l'heure qu'un rêve dont on voit mal comment il pourrait se réaliser. Le système solaire est la limite de nos possibilités techniques et il est fort peu probable que les terriens que nous sommes puissent un jour en explorer toutes les planètes. Quant à atteindre d'autres étoiles, la physique (nous la connaissons !) ne nous le permet assurément pas.

Certes, il y aura sans doute des améliorations techniques qui rendront les choses moins coûteuses mais comme les projets seront plus ambitieux le coût total des missions sera toujours prohibitif. En réalité à ce stade de l'aventure spatiale on peut dire que nous butons sur de véritables limitations de principe, lesquelles ne pourront jamais disparaître. Les fameuses « contingences matérielles » imposent leur loi souveraine. On ne peut rien contre la force des choses.

En conclusion de cette section, il est illusoire de penser pouvoir faire explorer par des hommes et des femmes l'espace planétaire environnant et encore plus l'espace universel. Nous sommes à jamais liés à la Terre et à sa banlieue immédiate, pour le meilleur et pour le pire.

Où s'arrête notre Univers ?

La nébuleuse d'Andromède est-elle située à l'intérieur ou à l'extérieur de notre Galaxie ?

Notre monde est constitué de galaxies

 

DEUXIÈME DÉBAT : JUSQU'OÙ VA NOTRE UNIVERS ?

Si vraiment notre patrie est la Terre, le deuxième grand débat du vingtième siècle concerne justement les limites de notre Univers, que nous ne pouvons explorer que par l'observation et la réflexion. Notre Univers se limite-t-il à notre Galaxie, la Voie Lactée, ou au contraire cette dernière n'est-elle qu'un « Univers-île » banal parmi une multitude d'autres semblables ? Voilà quel était le sujet des discussions des astronomes dans les premières décennies des années 1900.

La polémique qui opposa Shapley et Curtis au cours d'une réunion tenue en 1920 est devenue le symbole de la controverse. Elle est souvent désignée dans les pays anglophones sous le nom de « Great Debate ». En gros Curtis soutenait que notre Univers était composé de nombreuses galaxies semblables à la nôtre, galaxies que nous voyions sous la forme de ces nébuleuses spirales qui parsemaient notre ciel. Pour Shapley ces nébuleuses spirales étaient des nuages proches appartenant à notre Galaxie, lequel ensemble d'étoiles constituait tout l'Univers. Question annexe : Shapley plaçait la Terre loin du centre de cet Univers-Galaxie alors que Curtis la situait près du centre.

Le problème posé fut résolu par Hubble et Humason. À l'aide du puissant télescope de 2,50 mètres de l'Observatoire du Mont Wilson, ils détectèrent dans la nébuleuse d'Andromède des étoiles variables appartenant à la classe des Céphéides et parvinrent à les étudier individuellement en mesurant en particulier leur luminosité (apparente) en fonction du temps. Or de ces observations on peut déduire la luminosité intrinsèque des étoiles car celle-ci est liée à leur période de variation d'éclat par une loi établie en 1912 par Henrietta Leavitt et énonçant que les étoiles les plus brillantes ont une période de clignotement plus grande. Cette fameuse relation « période-luminosité » était étalonnée à partir des Céphéides, relativement voisines, du nuage de Magellan. Par comparaison entre la luminosité observée et la luminosité intrinsèque, ce n'était plus qu'un jeu que de calculer la distance des étoiles de la nébuleuse d'Andromède puisqu'on sait par ailleurs que la luminosité observée décroît comme l'inverse du carré de la distance (la luminosité est quatre fois plus faible si on double la distance, neuf fois plus faible si on la triple et ainsi de suite). Ce qui fut fait.

Le verdict tombe dans les années 1924-1925 (je me fais la réflexion que cela ne date pas de si longtemps...) : la nébuleuse d'Andromède est extérieure à notre Galaxie et par conséquent constitue une galaxie comme la nôtre. Le monde des galaxies s'ouvrait à notre découverte. Pour la première fois l'humanité savait de quoi l'Univers était composé.

Notre Univers : des galaxies en nombre fini dans un espace fini

Un triomphe de la pensée scientifique

Un univers fini est le seul modèle à posséder un sens physique

En l'an 2000, nous connaissons grosso modo la taille et l'âge de notre Univers

 

Notre Univers apparaissait du même coup démesurément grand puisque la distance de la nébuleuse d'Andromède se chiffrait en millions d'années de lumière. Pouvait-on imaginer qu'il était peuplé d'une infinité de galaxies et qu'il était illimité ? La réponse à la question concernant les limites de notre Univers va venir de la percée théorique réalisée par Einstein.

De 1907 à 1916 ce savant génial élabore la théorie de la relativité générale, laquelle est une façon entièrement nouvelle de concevoir la gravitation. Cette dernière se traduit pour Einstein par une propriété géométrique de l'espace (ou plus exactement de l'espace-temps) appelée « courbure » et qui fait que l'Univers à grande échelle n'est plus euclidien. Einstein développe en particulier le concept d'un univers courbe fermé dans lequel, par exemple, deux parallèles, concrétisées par deux rayons lumineux émis dans une même direction, se rejoignent au bout d'un trajet fini. Un tel espace défie l'entendement et notre façon usuelle de voir les choses : il est proprement inconcevable dans le cadre des concepts que nous avons coutume d'utiliser. Comment imaginer en effet que nous puissions explorer entièrement un tel espace, en visitant toutes les galaxies qu'il héberge, sans rencontrer nulle part le moindre « bord », la moindre limite ? C'est pourtant la situation qui prévaut dans un univers courbe fermé.

Il serait sans doute un peu absurde de vouloir établir un classement des découvertes de ce siècle afin d'élire la plus importante de toutes car elles ne sont pas isolées les unes des autres. Néanmoins l'invention de la notion d'univers fermé est pour moi (c'est un sentiment personnel) la réussite la plus achevée et la plus fascinante de la pensée humaine. Nous pouvons enfin, depuis Einstein, répondre à cette question immémoriale de savoir ce qu'est notre Univers, de quoi il est composé et surtout où se trouvent ses frontières. Nous avons la réponse aux interrogations que tout enfant formule à un moment ou à un autre : « Où s'arrête notre Univers ? Qu'y a-t-il au-delà ? ».

Justement, notre Univers n'a pas de frontière. Il ne s'arrête nulle part et n'est pas contenu dans un espace qui lui serait extérieur car il est l'espace entier. Pourtant il est fini, c'est-à-dire qu'il contient un ensemble dénombrable de galaxies (peut-être une dizaine ou une centaine de milliards), accessibles en principe à notre vue (il suffit de laisser s'écouler un temps se comptant en dizaines de milliards d'années  !).

Quoi de plus stupéfiant que de la matière sans espace « autour » ?

Je trouve personnellement fort dommage que cette merveilleuse découverte ne soit pas plus « médiatisée » qu'elle l'est. En effet elle est souvent occultée par de faux débats, notamment celui qui tourne autour de la question de savoir si notre Univers serait infini. L'alternative fini/infini (univers fermé/univers ouvert) est dénuée de sens car l'infini n'est qu'un concept théorique qui ne correspond à aucune structure réelle. Nous avons mis des siècles à mesurer notre Univers. Il serait fâcheux pour un simple mot, l'infini, de renoncer à partager cette connaissance précieuse. C'est vraiment lâcher la proie pour l'ombre.

D'autre part, un choix binaire est trompeur et sans doute absurde car il est certain que notre Univers est plus compliqué que ne le laisseraient suppposer les simplissimes équations



d'un modèle homogène et isotrope.

Qui oserait prétendre, sans craindre le ridicule que la Galaxie et les innombrables galaxies dans leur prodigieuse diversité sont assimilables à ces quelques signes ?

En conclusion, sachons apprécier la valeur de ce modèle d'Univers courbe fini d'Einstein. S'il ne représente pas à coup sûr le monde réel dans tous ses détails (chose impossible) et s'il montre des désaccords avec les observations, il n'en demeure pas moins une image fort correcte de la réalité physique. En l'an 2000, nous pouvons affirmer sans réticence que notre monde est fini, courbé par la gravitation, qu'il est né dans le big bang, qu'il est en expansion depuis lors, qu'il a entre 10 et 15 milliards d'âge et que ses dimensions se mesurent en dizaines de milliards d'années de lumières. Il est vraiment dommage de voir de telles vérités disparaître derrière le voile opaque d'infini que tissent des scientifiques mal inspirés.

La crise théorique la plus grave dans l'histoire de la physique

Selon la théorie, les électrons devraient se précipiter sur le noyau

La physique confrontée à l'infini

Notre physique « connaît » ses limites

 

TROISIÈME DÉBAT : COMMENT LA MATIÈRE EST-ELLE STABLE ?

En 1911, Rutherford introduit le plus grand changement dans nos idées sur la matière depuis le temps de Démocrite (d'après le jugement de Sir Arthur Eddington). Alors que les anciens pensaient que l'atome était une unité insécable, infime et sans doute homogène, Rutherford montre que la matière est essentiellement vide. Il prouve en effet que l'atome est formé d'un minuscule noyau situé en son centre concentrant la quasi totalité de sa masse totale et d'électrons beaucoup moins massifs gravitant à sa périphérie (comme les planètes tournent autour du Soleil, toutes proportions gardées). Si le noyau est représenté par une bille, alors, à la même échelle, les électrons naviguent à un kilomètre de distance. Il existe d'ailleurs en astrophysique des astres, les étoiles à neutrons, constitués de cette matière à laquelle on a « enlevé le vide », c'est-à-dire de matière réduite à sa seule composante massive, à savoir aux noyaux atomiques. Ces objets célestes sont faits de matière en quelque sorte à l'état pur.

Ce modèle atomique allait cependant amener en physique une crise conceptuelle, sans doute la plus grave de son histoire. Voici pourquoi.

Le noyau et les électrons sont électriquement chargés, le premier positivement, les seconds négativement. Par conséquent, et c'est ce qui asssure à première vue la cohésion de l'ensemble, le noyau et les électrons s'attirent mutuellement (la force électrique est d'ailleurs colossale par rapport à la force de gravitation). Seulement, en y réfléchissant, comment éviter que ces charges se précipitent l'une sur l'autre ? Il est aisé de montrer qu'à la moindre perturbation, si on comprime un tant soit peu la matière (en marchant dessus par exemple !), celle-ci devrait, selon la théorie, s'effondrer sur elle-même en quelque 10-17 seconde, ce qui est contraire à l'expérience (!).

La difficulté résidait en ce que la force électrique croissaît sans limite au fur et à mesure que les particules se rapprochaient pour se toucher. Plus techniquement, la physique était confrontrée à l'infini, c'est-à-dire à une notion avec laquelle elle n'avait jamais pu composer. L'irruption de l'infini (ou de son équivalent le zéro) dans une théorie signale en effet l'inadéquation de cette dernière à décrire la réalité. L'infini est une façon péremptoire et indiscutable pour des équations de déclarer forfait.

La crise à laquelle la physique des années 2000 est confrontée est du même ordre. Elle est peut-être même encore plus grave car elle concerne non plus la matière seule mais l'espace-temps et l'Univers dans son ensemble. En effet les équations qui décrivent un trou noir ou celles qui se rapportent au big bang contiennent une singularité, autre mot pour désigner cette monstruosité que représente pour la physique le zéro ou l'infini. Il n'y a pas de limite à l'effondrement du trou noir sur lui-même, ce qui revient à dire que nous ne comprenons plus ce qui se passe. De même au big bang le degré de compactification de l'Univers est « infini », sa densité et sa température augmentant sans cesse sans rencontrer de limite lorsque le temps ou l'espace tendent vers zéro, ce qui signifie que le modèle perd toute signification.

En l'an 2000, nous savons donc où s'arrête le domaine d'application de notre physique : nous savons que nous possédons pas la théorie du big bang et que nous ne connaissons pas le destin ultime d'un trou noir. Ce qui est en cause est le mariage des deux théories sur lesquelles se fonde notre science, la mécanique quantique et la relativité générale. Cette union n'est pas féconde et conduit au contraire à l'incohérence. D'ailleurs cette incohérence se trouve en germe dans les fondements même de la mécanique quantique, comme l'a souligné Laurent Nottale dans son livre La relativité dans tous ses états (Hachette, 1998), car l'équation de Schrödinger (équation de base de cette mécanique) utilise un espace-temps plat, c'est-à-dire un espace-temps absolu comme celui de Newton, dénué de matière et donc de courbure et qui de ce fait se présente d'emblée comme la négation même de la théorie de la gravitation. Si cette gravitation est rejetée dès l'établissement des bases, il ne faut pas s'étonner qu'elle apparaisse inconciliable avec la théorie à un stade ou un autre du raisonnement.

La mécanique quantique est souvent présentée comme la théorie finale sur laquelle doit s'appuyer tout nouvelle tentative de modélisation du réel. Toutefois, puisque l'espace-temps de la mécanique quantique semble incompatible avec la gravitation, on peut légitimement douter de la valeur soi-disant universelle de ce chapitre de la physique. Autrement dit, en dépit de ce que prétendent maints chercheurs, l'équation de Schrödinger n'est peut-être pas la panacée.

Pour sortir de la crise actuelle il faut sans doute changer les théories de façon absolument radicale. Comment fut résolu le problème de la stabilité de l'atome ? Certainement pas en adaptant empiriquement la physique classique à la question posée. Il a fallu inventer des concepts entièrement nouveaux, comme celui de fonction d'onde, et forger de nouvelles équations, au point que la physique de l'infiniment petit est vraiment incompréhensible en termes de raisonnement classiques.

Au big bang, de la même façon, il faut réviser toutes les notions auxquelles nous sommes habitués car c'est vraiment toute notre physique qui s'effondre à ce stade de compression de la matière et de l'espace-temps. En particulier il nous faut remettre en question les concepts même de temps et d'espace puisqu'au big bang le temps et l'espace disparaissent en tant que tels.

L'effort de Laurent Nottale pour construire une nouvelle physique répond bien à mon sens à ce souci de changer les concepts de base. Et même si elle ne parvient pas à terme à résoudre la question, elle aura eu l'avantage d'essayer de se fonder sur de solides principes d'harmonie. Or en dehors d'une telle démarche, les tentatives de « bricolage » (au mauvais sens du terme) théorique consistant surtout à ajouter des paramètres et à jouer avec eux sont vouées à l'échec.

La cosmologie tourne en rond

Contrairement à la mécanique quantique, la cosmologie n'a rien pour la guider

 

Cette nécessité de posséder de toutes nouvelles théories pour résoudre le problème de la naissance (et donc aussi de la structure) de l'Univers a un corollaire : en l'absence des outils nécessaires, la science ne peut pas avancer et par conséquent ne peut que tourner en rond.

La difficulté semble insurmontable car si la science souffre d'un défaut de théorie elle manque aussi cruellement d'observations significatives. Il est évident, mais encore faut-il le souligner ici, que la mécanique quantique, qui a réussi à faire entrer la stabilité de l'atome d'hydrogène dans ses schémas, ne s'est pas fondée sur la seule reconnaissance du paradoxe initial ! Cette mécanique de l'atome avait pour se développer une profusion de données expérimentales. Ainsi le modèle d'atome de Bohr pouvait s'appuyer sur les valeurs des longueurs d'onde des raies spectrales de l'hydrogène observées en laboratoire et qui se distribuaient selon une loi découverte par Balmer.

On connaissait de même, avant de pouvoir l'expliquer, la distribution du rayonnement émis par un four porté à une certaine température (on parle en physique du rayonnement d'un corps noir). D'aileurs Einstein reçut le prix Nobel non pour sa découverte de la relativité générale mais pour celle de l'effet photoélectique, lequel confirmait l'hypothèse émise par Planck selon laquelle la lumière se comportait en certaines circonstances comme si elle était constituée de grains discrets, les photons. Cette hypothèse sur le caractère granulaire de la lumière permettait de trouver la forme théorique de la loi observée de distribution de ce fameux corps noir, autrement dit la loi de Planck.

Ainsi, avant d'être théorisée, la quantification des phénomènes était un fait observationnel.

Hélas, rien ne peut nous guider sur le chemin d'une théorie de création d'univers. Tout ce que nous connaissons, ce sont des paradoxes et des faits inexpliqués. Par dessus tout nous subissons l'assaut de l'infini. Mais aucun fait observationnel positif n'existe pour étayer des hypothèses scientifiques neuves. Or, n'en déplaise à certains physiciens-théoriciens, il ne faudrait pas penser que tout ce qui sort du cerveau d'un chercheur aurait forcément un rapport avec la réalité et donc aurait valeur explicative.

Chaque galaxie est au centre de sa propre portion d'univers visible

Au big bang tous les points de l'Univers s'ignoraient. Comment peuvent-ils former un tout homogène ?

Le problème de l'horizon est insoluble pour nos théories

Impossible enfin de bâtir une théorie sur un fait unique

 

Le fait le plus inexplicable réside dans le caractère isotrope du fond du ciel et l'apparente homogénéité de notre Univers. À l'époque actuelle, l'Univers ne nous est pas accessible dans sa totalité car, la lumière se propageant à une vitesse finie et l'Univers ayant un âge fini d'une douzaine de milliards d'années, les rayons lumineux issus de galaxies trop lointaines n'ont pas eu le temps de parvenir jusqu'à nous. Le raisonnement étant valable en tout point, toute galaxie se trouve au centre d'une sorte de « bulle » d'espace visible, portion limité par un « horizon » marquant la frontière entre le monde que voit en cet instant cette galaxie et le monde qu'elle verra plus tard (à condition d'attendre assez longtemps).

Le problème est le suivant. Relativement à la totalité de notre Univers et au fur et à mesure que le temps s'écoule, la portion visible grandit, c'est-à-dire que nous découvrons sans cesse de nouvelles parties d'espace et de nouvelles galaxies. Mais quand nous remontons en arrière dans le temps, la situation est exactement inverse : les bulles rapetissent. Plus nous nous rapprochons du big bang, dans le passé, plus les différentes sphères d'univers visibles étaient petites par rapport à la totalité de l'Univers. Autrement dit la fraction d'Univers visible à tout observateur était de plus en plus petite.

Dans le cadre de nos théories actuelles, on aboutit à la conclusion que les différents points de l'Univers étaient causalement déconnectés à l'origine. Comment comprendre dans ces conditions que ces différents points constitutifs du tout puissent se trouver identiques les uns aux autres ? Notre théorie est impuissante à répondre, puisqu'elle porte en elle la contradiction relevée. Ce problème est connu sous le nom de « problème de l'horizon ».

Il existe enfin une difficulté de principe à bâtir une théorie de création d'univers, à savoir que notre Univers possède un caractère d'unicité absolue. Comment dès lors expérimenter ou même imaginer des situations différentes en face d'un événement qui par essence est unique et qui de ce fait n'est pas envisageable comme duplicable ?

Il n'y aucun sens à imaginer d'autres mondes puisque le monde est précisément tout ce qui existe.

La science pourra-t-elle un jour inventer une théorie nouvelle dans laquelle tous ces paradoxes trouveraient un sens ? Cette question-là non plus n'a pas de réponse 

Conclusions :

Plus de question majeure concernant la physique utile à l'échelle humaine à se mettre sous la dent

Impossible de quitter notre Terre

 

LA DERNIÈRE GRANDE ILLUSION DU SIÈCLE

En 2000 la science a atteint des limites, peut-être ses limites.

D'un point de vue théorique, mis à part la question de la naissance du monde et de la structure de l'espace-temps-matière, la physique qui régit l'Univers qui nous concerne est connue. Aucune expérience cruciale majeure ne la remet plus en cause, contrairement à ce qui a été le cas au début du siècle. On peut dire qu'au niveau des principes (mais certes pas en pratique !), il n'existe aucun fait inexpliqué.

Certes des avancées techniques ne sont pas exclues dans l'avenir, heureusement. Elles sont même hautement désirables. Je pense souvent qu'une civilisation, je veux parler de la nôtre, qui en est (encore !) réduite à faire bouillir de l'eau pour fabriquer l'électricité et qui pour distribuer et consommer cette dernière se sert de fils encombrants gaspilleurs d'énergie a de sérieux progrès à accomplir pour satisfaire nos besoins d'utilisateurs. Soit dit en passant, on peut douter qu'une humanité qui gère son énergie électrique d'une façon si archaïque soit vraiment capable de se poser sur Mars, surtout quand on considère les difficultés de cette entreprise et les échecs déjà accumulés.

L'exploration spatiale bute sur des limites sans doute infranchissables. Nous sommes ici confrontés à la force des choses, qui interdit absolument que tout rêve devienne réalité. Les lois de la nature - car nous les connaissons - nous révèlent la finitude de notre condition humaine et nous montrent que notre vie est limitée à l'espace de notre planète Terre.

La science tourne en rond

 

Les seuls problèmes de fond qui se posent encore à la physique concernent la nature profonde de la matière et du monde physique. Cependant, nous savons que nous ne possédons pas les moyens de résoudre ces questions. Par conséquent les discussions actuelles sur fond de bricolage théorique ayant trait à la cosmologie, au big bang, aux trous noirs et à la structure de l'espace-temps-matière sont artificielles et stériles. Ce sont de faux débats.

Bref, la science manque d'un programme mobilisateur réalisable. Est-ce pour masquer cette situation qu'elle déploie une activité effrénée ? Mais son rendement qualitatif est-il à la mesure de sa sur-productivité quantitative ? (Quand je parle de « science » j'ai toujours en tête la physique fondamentale et l'astrophysique mais il n'est pas exclu que le diagnostic s'applique à d'autres secteurs scientifiques.)

Il est notoire que le nombre de publications scientifiques augmente de façon inconsidérée et que leur intérêt chute en proportion. L'intrusion de l'informatique est d'ailleurs à mon avis la cause principale, et regrettable, de la multiplication incontrôlée des articles. Les ordinateurs permettent, à partir de n'importe quel code, de produire des quantités phénoménales de résultats numériques. Mais il n'est pas dit que tous ces résultats contribuent automatiquement à accroître nos connaissances.

En astronomie, c'est l'époque des grands relevés (en anglais, surveys). Une fois les satellites lancés, la même informatique peut aisément accumuler et traiter les données qu'ils transmettent à profusion. Cependant on feint de croire qu'une gigantesque machinerie produit forcément du « savoir », ce dont on peut douter. Alors qu'un méga-programme spatial a tendance à s'auto-justifier, car l'énormité des sommes englouties semble le garant de sa productivité scientifique (en même temps qu'un obstacle à la critique : comment remettre en cause l'engagement de sommes colossales ?), il serait nécessaire d'évaluer la véritable portée de ces opérations de façon neutre, donc par jugement extérieur. En particulier il arrive que les possibilités réelles des théories sous-jacentes soient surestimées. Or ce sont en dernière analyse ces théories qui ont pour tâche, par l'interprétation des données observationnelles brutes, d'aboutir à des conclusions sur la physique des objets étudiés. Si donc elles ne remplissent pas leur fonction, les expériences se réduisent à l'accumulation de données inutiles ou à un pur inventaire des étoiles du ciel, ce qui ne présente pas un intérêt majeur.

L'exo-biologie : mission illusoire

La recherche d'une vie extra-terrestre n'est pas raisonnablement justifiable

 

Enfin le dernier grand alibi de cette fin de siècle est la recherche d'une vie extra-terrestre. Pour moi, ce projet fédérateur, qui prend de plus en plus d'importance dans les esprits et qui réclame de plus en plus de moyens, n'est qu'un trompe-l'oeil dont l'intérêt principal immédiat est de masquer le vide conceptuel partiel dans lequel la science se trouve plongée. Cet avis est personnel. Il est basé sur la conviction, étayée par l'ensemble des découvertes astronomiques, que les chances d'apparition de la vie ailleurs que sur Terre sont nulles.

En effet la vie ne présente aucun caractère automatique. Son apparition sur Terre a été le produit d'une histoire dépendant de facteurs aléatoires incontrôlables qui auraient pu à tout moment anéantir tout espoir d'aboutir au but finalement atteint. D'autre part, comme notre Galaxie ne comporte qu'un nombre restreint de planètes (et en l'occurence ce fait-là est bien établi), le nombre d'histoires différentes s'étant réellement produites autour de la petite dizaine de milliards d'étoiles de la Voie Lactée apparaît complètement négligeable devant le nombre qu'il faudrait atteindre pour avoir quelque chance d'aboutir au résultat escompté. Autrement dit encore, dans ce petit groupe d'histoires, il est hors de question de trouver une histoire analogue à celle de la Terre.

Dans cette vision des choses, la recherche de vie extra-terrestre représente une immense publicité pour une recherche spatiale en panne de programmes porteurs. C'est une aubaine aussi pour les astrophysiciens qui ont depuis toujours eu du mal à justifier leur recherche par des considérations utilitaires (à quoi sert l'astronomie ?). De plus, si quelque part la science tourne en rond, comme je le prétends, il serait malséant qu'elle l'avoue. La diversion de l'exobiologie est toute trouvée, et, apparemment, l'alibi fonctionne bien.

Je suis frappé du retour permanent de cette foi en des mondes habités. Il faudrait analyser pourquoi le mythe resurgit dans des périodes d'effervescence scientifique (dans le cas présent c'est la découverte, à vrai dire complètement époustouflante, de terres nouvelles du sytème solaire qui a relancé l'idée) comme si la science voulait à tout prix étendre son empire sur la Vie, alors que les indices en faveur de l'existence d'une vie extra-terrestre sont absents, comme ils l'ont toujours été. Que l'on pense par exemple à Giordano Bruno défendant l'idée d'une infinité de soleils semblables au nôtre abritant des civilisations intelligentes, à Fontenelle et à Camille Flammarion présentant l'idée de la pluralité des mondes habités comme une certitude scientifique.

En ce qui nous concerne, en l'an 2000, laisser entendre que la science apporterait des preuves de la présence de vie dans l'Univers ou même du caractère probable de cette présence relève de la mystification. En effet, si notre siècle a montré quelque chose de neuf par rapport aux croyances des siècles passés, c'est bien que le monde est hostile à l'être humain et que les milieux astrophysiques sont désespérément inhabitables !

La recherche de vie extra-terrestre ne s'appuie sur aucun argument raisonnable.

Je n'en conclus pas pour autant qu'il faille abandonner l'exploration de notre Univers (à partir de notre système solaire, s'entend, et en y restant cloués). Il est certain qu'il existe d'autres planètes. Espérons que les années à venir nous les feront découvrir, quel que soit le terrible défi technologique que leur détection et leur observation représentent.

Il est exaltant de rechercher l'histoire de l'apparition de la Vie et sans doute l'observation d'autres mondes pourra nous aider en la matière, par exemple par l'étude de l'évolution de leur climat et de leur surface. À cet égard la découverte d'eau liquide quelque part dans notre Galaxie serait un événement d'une portée considérable. Notons qu'en l'an 2000, nous n'avons pas encore réalisé cette détection.

La richesse de l'Univers est inépuisable. L'immense famille des planètes va peut-être se révéler à nos yeux. Cette potentialité de découvertes exacerbe au plus haut degré notre désarroi devant l'absurdité du monde. En effet, nous avions déjà dû nous résigner à la profusion des étoiles tout en sachant qu'aucune d'entre elles, étant données les conditions qui y régnaient, ne pouvait abriter la Vie. Mais la multitude de planètes ravive notre angoisse métaphysique. Comment admettre et comprendre que notre Univers soit si vaste et en même temps totalement vide de Vie ? Quelle est la finalité, le sens, de ces innombrables recoins caillouteux ou poussiéreux d'Univers, invisibles à nos yeux et à jamais inconnaissables ?

Mon humble vision des choses est que cette question dépasse l'entendement, au sens strict de l'expression. C'est, si l'on veut, un « mystère » auquel il faut consentir. Autrement dit, la présence de Vie dans l'Univers que nous connaissons a un côté tout à fait déraisonnable - je dirais même aberrant et absurde. Dans cette optique, si la science décrète que la Vie, finalement, foisonne ailleurs, en se trompant elle évacue le problème existentiel que nous nous posons, elle ne le résout pas.

Nous risquons dès lors de voir cette science tourner en rond dans ses errances pendant encore longtemps.





 Science et Vie

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Dernière modification : 21 janvier 2016

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