Du vide et de l'éternité

Michel Cassé

• Éditeur: Odile Jacob
• Année: 2014
• ISBN:
  9782738169761
• Sujet: Ciencias físicas
• Sous-sujet: Cosmología

Gravité quantique, supersymétrie, univers multiples: la cosmologie et la physique quantique nous donnent aujourd'hui de l'univers une image stupéfiante, à même de défier l'imagination la plus délirante. Conjuguant la puissance de la scienceet le souffle de la poésie, Michel Casséparvient à nous rendre intelligibles lesconcepts les plus abstraits et les théoriesles plus ardues.Quand le vide quantique, sous sa plume, fleurit en particules élémentaires puis, enun clin d'œil cosmique (l'« inflation »), sedéploie en stupéfiants « plurivers », laphysique et la cosmologie s'éclairent dubonheur de l'écriture. Michel Cassé, astrophysicien, a été directeurde recherche au Commissariat àl'énergie atomique. Il est l'auteur de nombreuxouvrages, dont Du vide et de lacréation, qui a été un très grand succès.

CHAPITRE 1

Gravitation et cosmologie classiques

---

Attrait de la matière pour la matière

LES FOURBERIES DE LA COURBURE

La gravitation est cette invisible solidarité entre tout ce qui pèse. Nous l’éprouvons dans notre chair. Nous avons l’expérience de la chute car sans cesse nous tombons. C’est l’attrait de nos corps pour la Terre, celui de la matière pour la matière. La relativité générale fait de « gravité » et « géométrie » des synonymes1. « La matière dicte à l’espace sa courbure, l’espace dicte à la matière son mouvement. » Le bon mot de John Archibald Wheeler illustre à merveille le rapport dialectique entre contenant et contenu. La mise en habit géométrique de la force gravitationnelle (G ⬄ M : géométrie/gravitation ⬄ matière), réalisée par Einstein en 1915, donna le coup d’envoi et l’impulsion initiale au programme de géométrisation généralisée de la physique. En rendant la courbure géométrique de l’espace-temps, G, tributaire de la distribution de la masse, de l’énergie et de l’impulsion, propriétés matérielles et cinétiques, la relativité générale se rend apte à incorporer tous les champs. Mais une asymétrie demeure entre le champ gravitationnel et les champs de matière. G = M. Du côté gauche trône un objet géométrique G, représentant la courbure de l’espace-temps. Du côté droit est posé le lourd symbole M, bien planté sur ses deux jambes, représentation mathématique de la matière et des sources non gravitationnelles du champ de gravitation.

Sous sa forme classique, la relativité générale confère au champ gravitationnel une signification géométrique radicale : elle est l’espace-temps voûté. Pour faire image, son échine se courbe comme celle d’Atlas soutenant le monde, elle ploie sous le fardeau de la matière. Les champs physiques matériels résident dans l’espace-temps2, mais ne sont pas l’espace-temps lui-même. L’insatisfaction d’Einstein devant la dichotomie – non pas entre être et ne pas être, mais être et être dans – devint alors palpable. Son esprit unitaire ne pouvait se satisfaire de l’existence de deux types de champs, apparemment indépendants. Il rechercha sans relâche une théorie dans laquelle les champs gravitationnel et électromagnétique, les deux seuls connus à l’époque, puissent être interprétés comme deux facettes d’un champ unique. Il aboutit à la conviction que la théorie gravitationnelle, écrite en termes de géométrie non euclidienne – la relativité générale –, devait être encore généralisée d’un cran pour inclure les lois du champ électromagnétique. Le mot d’ordre allait faire fortune, mais bien plus tardivement, car il allait donner naissance aux programmes de grande unification et de gravitation quantique.

Mais revenons à la racine : Einstein a fait de sa théorie de la gravitation un incomparable outil d’analyse du macrocosme. Et si les astronomes découpent l’univers en tranches de temps, la relativité générale les recolle. C’est le liant qui donne corps à la cosmologie moderne.

Cosmologie historique

UN ESPACE STATIQUE DANS UN TEMPS ABSOLU

Le premier acte de la cosmologie moderne nous ramène en temps de guerre et de révolution ; il va nous conduire des univers de la raison pure à la découverte astronomique de l’expansion de l’espace universel. Fallait-il qu’Einstein eût de l’audace pour extrapoler les lois de la gravitation, régisseuses du Système solaire3, à l’univers entier ! Pour donner à sa construction idéale une envergure véritablement cosmologique ! Pour l’empêcher de s’effondrer comme un château de cartes, Einstein dut ajouter deux éléments : un principe et une constante. Le principe cosmologique est d’essence copernicienne : à grande échelle, l’univers est homogène et isotrope4, ce qui a une grande portée philosophique, certes, mais surtout simplifie considérablement les équations cosmologiques, et de surcroît est vérifié par l’observation. Quant à la constante cosmologique, notée Λ, c’est un véritable roman. Demeurait en effet le problème des conditions physiques hors des limites de l’épure, perdues à l’infini. Qu’à cela ne tienne ! Einstein abolit purement et simplement l’infini. Il confectionna un univers relativiste, qui répondait aux injonctions de la théorie de la gravitation forgée par ses soins, et statique, inchangeant et éternel, car rien n’indiquait le contraire : un joli petit monde fermé, de volume fini, dont on pouvait recouvrir la surface avec une quantité mesurée de peinture, mais illimité, comme la surface d’une sphère : une fourmi sur une mappemonde peut en faire le tour un nombre incalculable de fois. Sa courbure simule l’attrait de la matière pour la matière : deux fourmis parties de l’équateur, suivant deux méridiens, se rapprochent irrésistiblement, attirées l’une vers l’autre comme par la gravitation.

On ne pouvait voir plus convaincante illustration de l’assimilation de la gravité, anciennement vue et vécue comme une force, à la courbure, propriété globale de l’espace-temps. L’univers d’Einstein n’était pas seulement relativiste mais machien. Honorer le principe de Mach5 était pour l’Einstein de l’époque une obligation impérieuse. C’est sur ce point qu’un Hollandais volant vint lui chercher noise.

Einstein avait ajouté une plume d’ange à ses équations pour en équilibrer les plateaux : Λ, la constante cosmologique. Willem de Sitter confessa son admiration pour la conception cosmique d’Einstein, y voyant « une chaîne de raisonnement libre de toute contradiction », mais il accordait sa préférence à la théorie originelle de la gravité « sans l’indéterminable Λ, qui est juste philosophiquement mais pas physiquement désirable ». Et c’est probablement avec un malin plaisir qu’il osa contredire le père de la relativité, lui faire la nique, en retournant la pique de Λ contre lui. C’était un comble : de Sitter reprochait à la solution d’Einstein de n’être point conforme au principe de relativité, car le temps y était absolu !

Faux calme plat

Dans l’univers proposé par de Sitter, une solution adéquate est obtenue sans aucune masse matérielle. On s’extasie sur un univers de pur Λ, sans matière, certes, mais non sans énergie. Vidons par la pensée l’univers de toute matière, à l’exception de la Terre porteuse d’astronomes. Seuls, désoleillés et sans étoiles, nous serions perdus dans le pur espace. Nous n’aurions plus aucun repère, aucun moyen de nous situer ni de mesurer le mouvement de notre planète, ni l’expansion de l’espace, en l’absence des galaxies. C’est ce qu’il advient dans l’espace de de Sitter, vide de toute matière et plein de Λ. Et il est facile de se tromper sur son compte. Son créateur le présenta comme statique, alors qu’il est profondément dynamique. Par bonheur, il est une manière de le démasquer. Jetez-lui quelques piécettes, vous les verrez s’écarter les unes des autres exponentiellement, et ce d’autant plus rapidement qu’elles gagnent de la distance. On peut y voir une prémonition de l’expansion de l’univers pleinement élucidée par le savant abbé Lemaître en 1927, avant même que l’œil sec du télescope du mont Wilson ne révèle à Edwin Hubble la fuite éperdue des galaxies. Mieux, vous direz, sans risque de vous tromper, que l’espace de de Sitter est plus qu’en expansion, il est en inflation ! C’est-à-dire en expansion exponentielle. Telle est la clé de la cosmologie new-look. Une inflation maquillée en repos ! Fallait-il être ficelle ! L’univers de de Sitter, en substance, n’est pas de tout repos. Voici le commentaire à son sujet de Jacques Merleau-Ponty, neveu du philosophe Maurice, en 1965 : « Statique sans l’être, vide mais non neutre, virtuellement actif sur toute matière qu’on voudrait y mettre, résultat d’une symétrie en trompe-l’œil, solution bâtarde d’une équation bâtarde, l’univers de de Sitter était donc un curieux complexe d’équivoques, qui cependant portait l’avenir de la pensée cosmologique. » Le modèle de de Sitter (dS) décrit donc un univers sans matière mais avec mouvement, et celui d’Einstein avec matière mais sans mouvement. Il ne fallut pas attendre bien longtemps pour que la s...

Table des matières

• Couverture
• Titre
• Copyright
• Le premier et le dernier mots sont donnés
• Introduction
• Chapitre 1 - Gravitation et cosmologie classiques
• Chapitre 2 - Horizons
• Chapitre 3 - Quantique
• Chapitre 4 - Vers le « un »
• Chapitre 5 - Les riches heures du boson de Higgs
• Chapitre 6 - Monnayeur de vides
• Chapitre 7 - Entropie et temps
• Chapitre 8 - Inflation éternelle
• Chapitre 9 - Gravité quantique
• Chapitre 10 - Anthropos
• Conclusion - Du positivisme à la poésie
• Appendice - Mathématiques de l’univers
• Philosophie de l’univers
• Vocabulaire
• Remerciements
• Du même auteur chez Odile Jacob
• Table