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Etienne KLEIN – L’Univers a-t-il connu l’instant zéro ?

Conférence Pint of Science du 19 mai 2014

Galilée a eu l’idée d’utiliser les mathématiques pour dire les lois de la physique, notamment les équations algébriques ou différentielles. Ces lois de la physique ne sont pas dicibles dans les termes habituels du langage courant. Elles expriment toujours le contraire de ce que nous observons. La loi de la chute des corps d’Aristote est conforme à l’observation (un corps tombe d‘autant plus vite que sa masse est élevée). Galilée fait une expérience de pensée par laquelle il montre que cette loi n’est n’est pas vraie. Il fabrique un système qui tient reliées pendant leur chute une balle de tennis et une boule de pétanque. Pendant la chute, la balle de tennis, moins lourde que la boule de pétanque fait office de parachute et le système tombe donc moins vite que la boule de pétanque toute seule. Il existe là un paradoxe que l’on résout en postulant que tous les corps tombent à la même vitesse. C’est l’interaction que les corps ont avec l’air qui créé une différence de vitesse effective entre les objets lourds et moins lourds.

 

La lecture des phénomènes ne suffit pas pour expliquer les lois physiques. « La chute des corps » a pour anagramme « hors du spectacle ».

 

Quatre siècle après, nous continuons d’appliquer même le type de raisonnement que celui de Galilée. L’idée est venue de décrire les interactions fondamentales en physique en associant chacune à un groupe de symétrie mathématique (Théorie de jauge). La force de gravitation est négligeable au niveau des particules. Des groupes de symétrie ont été établis pour la force électromagnétique, la force faible et la force forte. Lorsque que l’on décrit les interactions dans ce cadre, on dispose d'un outil qui permet d’interpréter dans le modèle standard les expériences menées sur les particules.

 

On découvre que si le modèle standard est vrai, alors les masses de toutes les particules sont nulles – ce qui n’est pas le cas – donc il existe une contradiction entre les lois et les mesures. 

 

Le pari de la physique moderne est d'expliquer le réel par l’impossible, c’est-à-dire que l’on peut expliquer ce que l’on observe par des lois qui contredisent ce que l’on observe. Peter Higgs, François Englert et Robert Brout écrivent qu’il se peut que les particules aient une masse nulle et que jusque-là nous nous trompons sur notre façon de comprendre la notion de masse. La masse n’est pas une propriété intrinsèque mais secondaire de la matière.

 

La masse est une propriété résultant de l'interaction des particules avec le vide. Dans ce vide, se trouve un champ quantique, appelé champ de Higgs. Son existence a été postulée en 1964 et confirmée le 12 juillet 2014 par la découverte du boson de Higgs au Cern. 

 

Les objets physiques présents dans l’Univers sont apparus au termes de processus que l’on a pu identifier. Dans un passé très lointain, la température et la densité de l’Univers étaient tels que les atomes ne pouvaient exister. Les atomes ont émergé à la suite d’interactions nucléaires. Les protons et les neutrons existants dans l’Univers primordial sont entrés en collision, donnant naissance à des noyaux légers (deutérium, lithium, hélium). Passé les trois minutes initiales de cette formation, l’Univers a été en expansion. Le taux d’interactions nucléaires a alors fortement chuté et les éléments plus lourds n’ont pas pu se former. C’est l’apparition des étoiles qui a permis la formation de ces éléments plus lourds, par condensation du gaz sous l’effet de la gravitation. Les éléments plus lourds que le fer, jusqu’à l’uranium, se sont formés par effondrement des étoiles super massives.

 

L’origine des atomes est l'ensemble des processus qui ont précédé la création des atomes. Penser l'origine de l'univers, c'est supposer que l’Univers est la fin d’une histoire précédente. Or l’origine de l’Univers est au contraire le commencement de tout.

 

On a faire à une transition radicale entre le non Etre et l’Etre. A chaque fois qu’en science on explique l’apparition d’un Etre physique, on le fait toujours en invoquant l’existence d’un autre Etre physique. En physique, toutes les origines auxquelles nous avons accès sont immanentes (elles se trouvent dans le monde). 

 

L’origine de l’Univers est-elle immanente ou transcendante (ne fait pas partie de l’Univers) ? Si l'origine de l'Univers est transcendante, l'Univers devient contingent et aurait pu ne pas être. Par extension, est-ce que les lois de la physique sont transcendantes ou immanentes ?

 

Il existe des cultures dans lesquelles il n’y a pas de récit des origines, tout simplement parce que la notion de néant n’existe pas comme c’est le cas pour les chinois. Est-on capable de penser le néant ? « Le néant est une question destructrice d'elle même » - Bergson. Penser le rien n'est pas penser à rien. Le néant est une idée qui se détruit dès lors qu’on la pense. 

 

Grâce à la théorie de la relativité générale d'Einstein, on dispose d’un formalisme qui permet de considérer l'Univers comme un objet physique (ayant des propriétés globales). Einstein pensait que l’Univers n’avait pas d’histoire, qu’il était statique. Hubble observe l’espace et constate la fuite des galaxie. On voit bouger les galaxies parce que l’espace se dilate et non pas parce que les galaxies bougent. Dans le passé l'univers observable était plus dense, plus petit et plus énergétique.

 

L'instant zéro est associé à une température infinie et un volume nul ainsi qu’à une singularité mathématique. 

 

Est-ce que nos connaissances en physique aujourd’hui ne remettent pas en cause notre façon d'expliquer l'origine ? Au LHC on recrée dans le présent les conditions physiques du passé. Le mur de Planck est un moment dans l'univers en delà duquel nos équations ne fonctionnent plus. Franchir le mur de Planck consiste à unifier la théorie d'Einstein et celle de la physique quantique. Depuis 40 ans, nous cherchons à unifier les forces. La théorie la plus en vogue encore est la théorie des cordes.

 

Quelle que soit la théorie que l’on utilise pour franchir le mur de Planck, lorsqu’on l’applique à l’Univers primordial, la singularité initiale disparait. Toutes ces théories mettent en évidence un « avant » l’origine. Aujourd'hui nous n'avons pas de preuve que l'univers a une origine. Nous ne pouvons pas nommer l’origine.

 

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