L’univers a une histoire… et une histoire digne d’intérêt !

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L’univers a une histoire… et une histoire digne d’intérêt !

L’homme a une telle soif de stabilité, qu’il a presque toujours imaginé un univers, sinon immuable en soi, du moins inscrit dans un cadre qui, lui, est permanent. Par exemple, l’univers des atomistes grecs (Leucippe, Démocrite, Épicure, puis leur vulgarisateur latin Lucrèce) était certes changeant, puisque les atomes s’y combinaient en structures éphémères, mais toutes ces métamorphoses, avec les mouvements des atomes eux-mêmes, ont lieu dans un cadre, dans un espace immuable. L’univers de Newton était constitué d’astres se mouvant dans un espace fixe, à l’image d’un gaz immobile à grande échelle malgré les mouvements individuels des molécules qui le constituent. Même Einstein avait construit un modèle d’univers statique à grande échelle, à partir des équations de la relativité générale. Il n’avait pas vu que ses équations impliquaient, de manière bien plus naturelle, un univers dynamique ! Il y eut certes des cosmogonies cycliques, par exemple en Inde, mais le fait même qu’elles soient périodiques leur confère justement une forme de permanence. Enfin, il y a des mythes de la création dans la plupart des cultures, mais selon eux, le monde, une fois créé en un temps généralement considéré comme très court, reste pratiquement immuable. Même la tradition judéo-chrétienne, qui propose pourtant une histoire linéaire commençant par la création pour finir avec le jugement et « de nouveaux cieux et une nouvelle terre », a été largement influencée par l’idée d’un monde immuable et statique, comme le montre la persistance du géocentrisme (1) durant tout le Moyen-Âge.

Il est donc particulièrement intéressant d’observer l’histoire de l’astrophysique et de la cosmologie au cours du siècle écoulé. Celui-ci a été en effet témoin d’une révolution scientifique probablement aussi importante que celle de Copernic, bien que peu reconnue jusqu’ici.

En effet, dans les années 1920, se prépare une découverte majeure, celle de l’expansion de l’univers. L’astronome Vesto Slipher, en analysant la lumière des galaxies, commence à s’apercevoir que la plupart d’entre elles s’éloignent de nous : leurs raies spectrales sont décalées vers le rouge par l’effet Doppler-Fizeau (2), ce qui permet de déduire leur vitesse, comme le font les gendarmes avec leurs radars. Edwin Hubble se livre à des mesures plus nombreuses et systématiques, après avoir montré que les « nébuleuses spirales » (comme on appelait alors les galaxies) sont bel et bien d’immenses systèmes d’étoiles très éloignés, et non pas de simples amas d’étoiles à l’intérieur de notre propre Voie Lactée. Il publie en 1929 la loi qui porte son nom, selon laquelle la vitesse d’éloignement d’une galaxie est proportionnelle à sa distance. Dès 1927, l’abbé Lemaître avait déjà sommairement énoncé cette loi, tout en y ajoutant son interprétation théorique. Toutefois, par modestie, il n’a jamais revendiqué la paternité de ce qui est désormais connu comme la « loi de Hubble ». Celle-ci se comprend bien à partir de l’analogie du gâteau de raisin qui gonfle au four : si chaque raisin sec représente une galaxie, on voit bien que tous les autres s’éloignent de lui au fur et à mesure de la cuisson, et cela d’autant plus vite qu’ils en sont plus éloignés. Cependant, si on remonte le temps, il n’y a aucune raison pour que les galaxies arrêtent leur mouvement de rapprochement avant de s’interpénétrer et de se transformer en gaz. C’est en tout cas la conclusion à laquelle les équations de la relativité générale d’Einstein conduisent ; l’analogie du gâteau de raisins a ses limites. En fin de compte, on a un gaz ionisé dont la densité et la température croissent indéfiniment au fur et à mesure qu’on s’approche de ce que, depuis les années 1950, on nomme le Big Bang. Ainsi, l’univers cessait désormais d’être envisagé comme statique, grâce en particulier au russe Alexandre Friedmann qui découvrit, en 1922, que les solutions des équations de la relativité générale d’Einstein étaient en général dynamiques et non pas statiques. Toutefois, densité et température deviennent formellement infinies à l’instant du Big Bang. Or, rien n’est plus gênant pour un physicien qu’une grandeur physique qui devient infinie. Une telle « singularité » pose problème, et les cosmologistes espèrent qu’une théorie plus générale que la relativité d’Einstein (pourtant déjà qualifiée de « générale ») permettra de la contourner, en incluant la mécanique quantique (3).

De toute manière, quels que soient les développements futurs de la science, le scenario du Big Bang suggère un commencement à l’univers, et pose donc assez naturellement la question de son origine. Des physiciens comme Jean-Marc Lévy-Leblond ou Étienne Klein ont beau souligner qu’il n’en est rien, qu’il s’agit d’un malentendu lié à notre culture et que rien n’empêche d’imaginer un état de l’univers antérieur au Big Bang (4), il n’en reste pas moins qu’historiquement, des trésors d’imagination ont été déployés pour éviter un univers qui ait un commencement. Ainsi, une théorie concurrente, dite de « l’état stationnaire », fut proposée dès la fin des années 1940 par Hermann Bondi, Thomas Gold et Fred Hoyle. Selon ce scénario, l’univers est, certes, en expansion, mais de la matière y fait son apparition régulièrement, sous forme de gaz hydrogène, de sorte à combler exactement les vides laissés par l’expansion. Ce gaz nouvellement apparu forme de nouvelles galaxies, ainsi la densité de l’univers reste-t-elle la même tout au long de son histoire, y compris dans le passé. Si donc, on inverse le temps, les galaxies se rapprochent, mais finissent par se dissoudre dans le néant, et la densité de l’univers n’augmente pas. Il suffit de postuler que l’univers est infini spatialement, pour en déduire qu’il est aussi infini dans le temps, c’est-à-dire éternel dans le passé comme dans le futur, et la question des origines est ainsi esquivée.

Pendant une quinzaine d’années, Big Bang et état stationnaire restent concurrents mais, en 1965, une nouvelle découverte vient faire pencher la balance en faveur du Big Bang. Penzias et Wilson découvrent, dans les ondes millimétriques, un rayonnement isotrope (le même dans toutes les directions), qui s’explique naturellement dans le contexte du Big Bang par le « rayonnement fossile » datant de l’époque où les électrons se sont combinés avec les protons et les noyaux d’hélium primordiaux (5). Le physicien George Gamow avait prédit ce rayonnement dès les années 1940. La découverte des quasars, objets très brillants quasi inexistants dans l’univers proche (et donc dans l’univers actuel) mais fréquents dans l’univers lointain (et donc passé) (6) avaient déjà jeté un doute sur la théorie de l’état stationnaire, mais cette fois ce fut le coup de grâce.

On cite en général trois « preuves » du Big Bang :

1) l’expansion de l’univers, qui se manifeste par la fuite des galaxies, 

2) le rayonnement fossile,

3) les abondances respectives de l’hydrogène et de l’hélium, tous deux formés dans les premières minutes après le Big Bang. 

À ces trois preuves constamment citées, on peut en ajouter d’autres. La plus remarquable est sans doute le fait, désormais observé, que la température du rayonnement fossile était autrefois plus élevée qu’aujourd’hui, et cela dans une mesure parfaitement conforme à ce que prévoit la théorie. En effet, le rayonnement fossile excite des atomes et des molécules de gaz interstellaire dans des galaxies lointaines comme dans la nôtre. Or, en observant les raies spectrales de ces atomes ou molécules, on peut déterminer leur degré d’excitation, et en déduire la température du rayonnement excitant. Rappelons que les galaxies lointaines sont représentatives de l’univers quand il était plus jeune. La lumière qui nous en parvient actuellement a dû, en effet, les quitter il y a très longtemps pour avoir le temps de voyager jusqu’à nous. Les nuages de gaz des galaxies lointaines sont donc autant de « thermomètres » qui nous donnent accès à la température du rayonnement fossile tel qu’il était il y a des milliards d’années (7). Ces mesures, bien que délicates, fournissent du Big Bang une preuve totalement indépendante des autres, preuve qui mériterait une plus grande publicité.

On sait donc maintenant que l’univers s’est radicalement transformé depuis treize milliards d’années. Il est passé de l’état de « bouillie » de particules élémentaires, uniforme et incroyablement chaude, à l’ensemble foisonnant des structures que nous voyons aujourd’hui : étoiles avec leurs cortèges de planètes, nébuleuses, galaxies, amas de galaxies... On sait aussi que les atomes dont nous sommes faits n’ont pas toujours existé. Les plus légers et les plus simples, l’hydrogène et l’hélium, furent formés dans les trois premières minutes, ainsi qu’une quantité infime de lithium. Ce n’est que des dizaines ou des centaines de millions d’années plus tard que les atomes plus lourds (carbone, oxygène, azote, fer, etc.) sont apparus. Pourquoi ce délai ? Parce qu’ils ont été « cuits » au cœur des étoiles massives (dix fois la masse du Soleil et plus) par fusion thermonucléaire, à partir de l’hydrogène et de l’hélium. Or, les étoiles ne pouvaient naître immédiatement. Ensuite, à la fin de leur courte vie (quelques millions d’années), ces étoiles massives ont explosé, répandant dans l’espace une partie des atomes lourds formés en leur sein. Il y a donc toute une épopée cosmique qui nous a précédé, sans laquelle ni la Terre, ni le carbone dont dépend toute la chimie organique, ni l’eau, ni l’air ne pourraient exister. C’est pourquoi le célèbre astrophysicien Hubert Reeves a écrit que nous sommes « poussières d’étoiles ».

Et Dieu dans tout cela ? 

Eh bien, le premier à voir dans le Big Bang, sinon une preuve, du moins une indication possible de la création divine ne fut pas quelque obscur « fondamentaliste », mais le pape Pie XII en personne. Dans son discours « Un’Ora » prononcé le 22 novembre 1951 à l’Académie pontificale des sciences, il dit en effet : « Il semble, en vérité, que la science d’aujourd’hui, remontant d’un trait des millions de siècles, ait réussi à se faire le témoin de ce Fiat Lux (Que la lumière soit) initial, de cet instant où surgit du néant, avec la matière, un océan de lumière et de radiations, tandis que les particules des éléments chimiques se séparaient et s’assemblaient en millions de galaxies » (8). Cette allusion embarrassa fort l’abbé Lemaître pour au moins deux raisons. D’une part, l’abbé considérait sa théorie de « l’atome primitif » (dont la désintégration explosive aurait donné naissance à l’univers) comme une hypothèse qui restait à confirmer par des observations bien plus complètes que le seul fait de l’expansion de l’univers. D’autre part, il distinguait, comme Thomas d’Aquin, les notions d’origine (ou de création) et de commencement. La création est de nature métaphysique et se situe hors du temps : Dieu soutient le monde dans son être, il en est à l’origine transcendante. Quant au commencement, il est d’une essence radicalement différente de l’acte créateur, et il est éventuellement accessible à l’investigation scientifique. Ainsi les plans de la foi et de la science étaient clairement séparés, libérant Georges Lemaître de tout soupçon de prosélytisme ou d’apologétique. Cela du moins à ses propres yeux et à l’égard de ceux qui voulaient bien faire l’effort de comprendre sa pensée. Nombreux en effet furent ceux qui l’accusèrent injustement de mêler science et métaphysique, particulièrement dans les milieux académiques acquis aux théories marxistes (9).

Plus récemment, les confirmations du Big Bang s’accumulant, certains cosmologistes de premier plan se sont permis un discours moins prudent que celui de leur illustre prédécesseur. Par exemple, Arno Penzias, co-découvreur du rayonnement fossile, déclara : « L’astronomie nous conduit à un événement unique, un univers qui fut créé à partir de rien, avec le dosage délicat qui fournit les conditions nécessaires à la vie, et qui est le résultat d’un plan sous-jacent (on pourrait dire un plan surnaturel) » (10). L’émerveillement explique aisément un tel discours de la part d’un physicien croyant, mais il est clair que le scénario du Big Bang, si bien étayé soit-il, ne peut constituer en soi une preuve de la création divine de l’univers. En effet, la science étant par essence provisoire, il est toujours possible de dire que la théorie n’est pas complète et que des progrès ultérieurs permettront de mettre en évidence un « avant Big Bang ». Des tentatives de ce genre ont déjà eu lieu.

Si Pie XII voyait dans le Big Bang une manifestation du Verbe divin, d’autres veulent y voir au contraire une preuve que Dieu n’existe pas. C’est le propos du célèbre cosmologiste Stephen Hawking, dans son bestseller The Grand Design (11). Ce livre a eu un grand retentissement médiatique. L’argument essentiel des auteurs est extrêmement intéressant et révélateur : « Parce qu’il y a une loi telle que la gravitation, l’univers peut se créer lui-même à partir de rien, et il le fera. La création spontanée est la raison pour laquelle il y a quelque chose plutôt que rien, l’univers existe, nous existons. Il n’est pas nécessaire d’invoquer Dieu… » (12). Il me fait penser à une fameuse caricature de Sidney Harris : un homme de science présente à son collègue un tableau noir rempli d’équations compliquées, interrompues par la phrase « ici, un miracle survient ». Pensif, le collègue dit à l’auteur en désignant la phrase : « Je crois que vous devriez être plus explicite ici, à l’étape 2 ». En effet, Hawking ne fait rien d’autre ici que de postuler implicitement un miracle, car il pose une condition nécessaire à la création spontanée de l’univers : la préexistence de la loi de la gravitation. Or, cette loi n’est pas « rien », pas plus que la loi qui vous met sous le coup de poursuites judiciaires si vous faites faillite ! Il y a là une contradiction logique bien surprenante de la part d’un des plus brillants hommes de science contemporains. Dans l’esprit de Hawking, la loi de la gravitation est peut-être une sorte d’absolu qui transcenderait l’univers, ce qui serait un postulat arbitraire et invérifiable. De plus, rien ne prouve que la loi de la gravitation – à supposer qu’elle ait effectivement préexisté à l’univers – ait suffit, à elle seule, à susciter la génération spontanée de l’univers !

De toute manière, un point absolument essentiel reste acquis, quels que soient les développements futurs de la cosmologie : l’univers n’est pas immuable, mais il a eu au contraire une histoire tout à fait merveilleuse. Parti d’on ne sait où, il a évolué, s’est développé d’un état très simple à l’état extrêmement riche, varié et contrasté que nous lui connaissons aujourd’hui. Que Dieu en soit à l’origine est une évidence pour le croyant, mais restera une question ouverte pour l’agnostique et une fable pour l’athée.

1. Le modèle géocentrique n’implique pas seulement que la Terre serait au centre de l’univers, mais aussi qu’elle serait immobile, alors que tous les astres tourneraient autour d’elle.

2. C’est du moins ainsi qu’on interpréta à l’époque le décalage vers le rouge ; celui-ci sera compris ensuite comme une dilatation de l’espace, dans le contexte de la relativité générale.

3. La mécanique quantique traite des phénomènes à très petite échelle, tandis que la relativité générale est essentiellement une théorie de la gravitation. Pour décrire convenablement le milieu extrêmement dense et chaud qui prévalait à l’époque du Big Bang, il faudrait une théorie qui lie mécanique quantique et relativité générale. Une telle théorie n’existe pas encore.

4. Voir Jean-Marc Lévy-Leblond, 1990, Am. J. Phys. Vol. 58, p. 156 (American Association of Physics Teachers), Did the Big Bang begin? et Étienne Klein, Discours sur l’origine de l’univers, Le Livre de Poche, Paris, 2012. Ils ont raison stricto sensu : la relativité générale est insuffisante (voir note précédente) pour décrire l’univers « primitif » (terme lui-même biaisé par l’hypothèse que le Big Bang constituerait un commencement absolu !), si bien que la science est incapable aujourd’hui de fournir la certitude que le Big Bang n’est pas le résultat de processus physiques antérieurs.

5. Auparavant, le gaz était ionisé à cause de la haute température, c’est-à-dire qu’électrons et noyaux étaient séparés. Avec le refroidissement lié à l’expansion de l’univers, les électrons se sont liés aux noyaux, environ 400.000 ans après le Big Bang.

6. À cause de la vitesse finie de la lumière, nous voyons les galaxies telles qu’elles étaient lorsque la lumière que nous recevons maintenant les a quittées. Regarder loin dans l’espace revient à regarder loin dans le passé.

7. P. Noterdaeme, P. Petitjean et al., 2011, Astronomy & Astrophysics, 526, L7.

8. Documentation catholique (16 décembre 1951), citée par D. Lambert et J. Reisse dans Charles Darwin et Georges Lemaître, une improbable mais passionnante rencontre, Académie royale de Belgique, 2008, p. 263.

9. Pour une description détaillée de l’affaire « Un’Ora », voir D. Lambert & J. Reisse, op. cit., pp. 258 et suivantes.

10. Cité dans Cosmos, Bios, and Theos, La Salle, IL, Open Court, eds. H. Margenau & R. A. Varghese, 1992, p. 83.

11. S. Hawking & L. Mlodinow, The Grand Design, Bantam Books, New York, 2010 ; traduction française : Y a-t-il un grand architecte dans l’univers ?, Odile Jacob, Paris, 2011. 

12. Hawking & Mlodinov, op. cit., p. 180 de la version anglaise.

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