24 Mars 2001
Note par Jean-Paul Baquiast

Jean-Pierre Luminet

Jean-Pierre Luminet L'Univers chiffonné. Fayard. Le temps des sciences 2001

Jean-Pierre Luminet, que l'on présente souvent à la fois comme astrophysicien et poète, est l'auteur d'un nombre impressionnant d'ouvrages et publications, notamment sur les trous noirs et le Big bang. Son dernier livre est consacré à la présentation d'une approche qu'il a défendue seul pendant quelques temps, malgré l'opinion de ses collègues anglo-saxons, mais qui est devenue dans les années récentes un must de la pensée cosmologique, celle de la topologie cosmique, avec l'une de ses conclusions possibles, qui donne le titre de son ouvrage, celle l'univers chiffonné, univers plus petit que celui estimé par l'observation des objets célestes supposés les plus lointains dans le temps, et où une partie de ces objets ne seraient que des fantômes se réverbérant si l'on peut dire aux limites d'un univers fermé sur lui-même.

A la fin du livre, pages 351 et suivantes, il nous résume cette aventure intellectuelle et scientifique, en illustrant à cette occasion la difficulté qu'éprouvent à se faire entendre les scientifiques européens, notamment français, quand ils ne suivent pas la pente tracée par la recherche nord-américaine - qui peut pourtant se tromper massivement, comme c'est la loi en sciences. Dans le cours de l'ouvrage, la constatation de la difficulté à se faire entendre des scientifiques francophones est également faite plusieurs fois à propos du sort injuste réservé aux travaux du physicien belge Georges Lemaître, le vrai auteur de l'hypothèse du Big bang, qui avait eu au contraire des vues prémonitoires occultées en partie par l'autorité des physiciens américains.

Nous ne sommes pas suffisamment compétents pour résumer ici les présentations topologiques de l'auteur. Il faut renvoyer le lecteur au livre. Disons seulement, en reprenant l'exposé du dernier chapitre, topos et cosmos, que la topologie cosmique conduit à relire en détail les hypothèses d'espace utilisées par les physiciens et cosmologistes depuis les philosophes grecs, puis par les premiers astronomes de la Renaissance, jusqu'à la révolution newtonienne d'abord suivie de la révolution relativiste au début du 20e siècle. Avec Newton s'imposa l'hypothèse d'un espace infini sans frontière, l'espace Euclidien. Au 19e siècle, des mathématiciens, suivant Riemann, introduisirent l'espace fini sans frontière, tel que l'hyper tore, espace euclidien recourbé sur lui-même. Einstein et de Sitter adoptèrent l'hyper sphère dans leur modèle cosmologiste de 1917, espace fini tridimensionnel de courbure positive. Ce choix fait un peu au hasard fut critiqué, Einstein lui-même, selon J.P. Luminet, ne s'intéressant que médiocrement à la topologie et au caractère fini ou infini de l'espace. De Sitter et d'autres proposèrent ultérieurement l'espace elliptique pour modéliser l'espace fini.

En fait, pendant soixante ans, nous dit J.P. Luminet, la topologie cosmique ne progressa pas au même rythme que l'observation, faute d'instruments mathématiques adéquats, d'une part, et faute aussi de moyens expérimentaux pour mesurer la topologie de l'univers. On se contenta d'essayer de préciser, une fois généralement admise l'hypothèse du Big bang, le type d'expansion et la courbure de l'espace, en fonction de la masse estimée de l'univers. On sait que le débat fait encore rage, portant notamment sur l'importance de la matière noire, qui courberait plus ou moins l'univers.

En revanche, à partir des années 1990, les outils mathématiques correspondant à de nouveaux développements de la topologie, comme des moyens d'observation profondément renouvelés, notamment par l'observation satellitaire, relancèrent l'intérêt pour la topologie cosmique. Après plusieurs refus de ses pairs, l'auteur réussit à faire reconnaître et publier sa méthode de cristallographie cosmique, proposant d'appliquer à l'observation de l'espace des concepts inspirés par la topologie des cristaux. La cosmologie quantique, en plein développement, qui cherche à définir la topologie de l'espace au niveau microscopique, notamment pour explorer l'avant Big bang, s'était dans le même temps très intéressée à ces travaux.

En simplifiant beaucoup, que dire ici du concept d'espace chiffonné ? Nous pourrions imaginer, comme l'auteur nous y invite, que nous sommes enfermés dans une chambre dont les 6 parois seraient pavées de miroirs. Il s'agirait d'un espace fermé, fini, à 3 dimensions. L'image d'une lampe allumée dans cette chambre nous reviendrait de toute part sous forme d'images fantômes de plus en plus faiblement discernables. Regarder les plus faibles d'entre elles pourrait donner l'impression de sonder un espace infini. Si nous ajoutions une dimension temps à cette espace, l'illusion ne changerait pas. Les images traduisant un déplacement de la source dans l'espace-temps nous apparaîtraient également multipliées sous forme d'images fantômes.

Si la théorie topologique, complétée par des résultats observationnels indiscutables encore à obtenir, nous permettait de penser que notre espace-temps est du type multiconnexe (soudé sur lui-même par de nombreux points), autrement dit courbe et fini, il en résulterait que les images de l'univers lointain, que nous croyons situés dans un espace infini ouvert, à plus de 14 milliards d'années-lumière, seraient en réalité des images fantômes correspondant à un même objet situé beaucoup plus près dans l'espace temps. Toute l'histoire supposée de l'univers à partir du Big bang devrait être revue. On voit la révolution conceptuelle par rapport aux conceptions encore dominantes, non seulement dans le grand public, mais chez les astrophysiciens, concernant la fuite des objets galactiques, l'expansion de l'univers, l'estimation de la masse de celui-ci, etc.

Les outils topologiques existent désormais en grande partie. J.P. Luminet nous en donne des démonstrations, compréhensibles même par des non-mathématiciens. Par contre, il ne nous cache pas que les preuves observationnelles manquent encore. En d'autres termes, il n'a pas encore été possible de montrer indiscutablement que tel objet céleste était le fantôme d'un autre situé plus près de nous. L'auteur évoque différentes méthodes et instruments qui devraient permettre à l'avenir d'opérer cette discrimination, et de résoudre du même coup d'innombrables questions théoriques sur le cosmos, mais la question reste pour le moment ouverte.

En fait, il faut voir que ladite question, comme toujours en physique, se pose différemment selon les échelles. L'auteur distingue 4 niveaux de la géométrie de l'espace, supposant des outils de représentation différents (p. 31) : le niveau cosmique, où l'espace serait fermé et courbé, mais pourrait prendre les formes les plus diverses ; l'espace de la relativité générale, s'appliquant à l'univers visible, plus ou moins courbé selon les masses ; l'espace de la mécanique newtonienne et de la relativité restreinte, qui est plat et à courbure nulle ; et enfin l'espace de la gravitation quantique, encore à découvrir, qui se fractionnerait selon les fluctuations de masse et de charge des particules en formes chaotiques pouvant receler des dimensions supplémentaires. Ce sont le premier et le dernier de ces espaces qui sont évidemment les plus intéressants, puisque c'est là qu'il y aura le plus de choses à découvrir, comme à mathématiser, avec la possibilité de nouvelles révolutions conceptuelles qui modifieraient profondément et notre connaissance, et notre philosophie du monde.

Une réserve s'impose évidemment ? L'hypothèse de l'univers chiffonné n'est encore qu'une hypothèse, encore récente. L'auteur ne le cache pas. On sait que, dans le domaine de la cosmologie notamment, les divergences d'interprétation de rares et difficiles observations sont multiples. On peut rappeler par exemple le refus persistant de certains astrophysiciens comme J.P. Petit pour admettre l'existence des trous noirs *. On sait d'autre part les débats autour d'éventuelles dimensions cachées de l'univers, et du rôle de la gravitation dans un espace à 5 dimensions.

Pourquoi, direz-vous, aborder ces questions dans cette revue ?

Elles sont certes intéressantes, mais assez loin des préoccupations de gens s'intéressant à l'intelligence artificielle. Nous avions déjà en partie répondu à cette objection en présentant l'ouvrage de Michel Cassé, éminent connaisseur de la nucléosynthèse stellaire comme des théories du vide. Il nous semble au contraire que de telles questions sont, ou seront prochainement, au cœur de la réflexion à venir sur l'intelligence artificielle.

Nous pouvons pour préciser cette impression faire un petit effort d'imagination qui nous éloignera de la science mais nous rapprochera peut-être de la philosophie, sinon de la poésie chère tant à M. Cassé qu'à J.P. Luminet. On peut pour ce faire évoquer plusieurs questions :

- quel statut donner aux mathématiques, dans une approche évolutionniste de la pensée et du cerveau humain ? Le problème n'est pas spécifique à la physique ou à la cosmologie, mais il s'y pose avec une acuité particulière, à l'instar de ce qui se passe en mécanique quantique. La topologie nous en donne un nouvel exemple. J.P. Luminet évoque plusieurs fois le fait que le manque d'instruments mathématiques adéquats dans cette discipline a longtemps paralysé les développements de la cosmologie, quand il ne l'a pas orienté vers des impasses. Il est rare semble-t-il que des scientifiques posent avec une telle insistance le problème de l'insuffisance de développement d'une branche donnée des mathématiques. Ils déplorent plus volontiers l'absence d'instruments d'observations suffisamment performants. Or, aujourd'hui encore, nous dit l'auteur, certains outils fins manquent, notamment pour explorer les arcanes de la cosmologie quantique. Or sans mathématiques, pas de résultats expérimentaux interprétables et pas d'hypothèses à tester expérimentalement. Mais alors, que sont vraiment ces mathématiques ? S'agit-il d'un langage de description acquis par l'humanité et conditionné par les modes d'organisation et de fonctionnement du cerveau ? En ce cas, d'autres formes d'intelligence pourraient décrire le réel en termes différents. La topologie pourrait n'avoir aucun sens pour elles, même si ces intelligences se heurtaient aux mêmes structures de l'espace que nous. S'agit-il au contraire d'une réalité de la nature que l'esprit humain, suite à celui des grands singes et des espèces ayant précédé dans l'évolution, découvrirait progressivement, et péniblement, comme il découvre le caractère dangereux de certaines plantes ou animaux ? La traduction en symboles et formules que l'humanité en donnerait serait évidemment fonction de l'aptitude neuronale à coder les représentations, mais en deçà, il existerait un réel mathématique, fondamentalement lié aux structures profondes de l'univers, qui serait encore à découvrir dans toute son extension. C'est, sauf erreur de notre part, un argument présenté par Alain Connes dans Triangle de pensées (Odile Jacob 2000).

- Dans cette dernière hypothèse, quel mécanisme peut accélérer notre prise de conscience de la réalité mathématique première? Faut-il attendre les aléas de la découverte par essais et erreurs, suite à l'évolution, notamment, de notre instrumentation. Peut-on, par une espèce de recourbement de l'intelligence humaine sur elle-même, accélérer l'émergence de nouvelles formulations mathématiques, plus conforme aux " réalités " de l'univers? Dans ce cas, que faudrait-il faire : mettre davantage d'argent dans les travaux de mathématique fondamentale, par exemple pour gagner 10 ans, ou 50 ans, dans l'apparition des nouvelles topologies attendues par J.P. Luminet. ? Plus radicalement, si nous admettions que l'univers " en soi " est, d'une certaine façon, mathématique, et que notre cerveau n'est pas encore en état de comprendre totalement ses lois, ne pourrait-on pas espérer que des intelligences artificielles puissent nous aider à le faire ? Il faudrait évidemment alors que ces intelligences ne soient pas calquées ou décalquées de la nôtre, mais se soient construites d'elles-mêmes, par évolution darwinienne, sur le modèle des algorithmes et hardware évolutifs dont les générations successives finissent par produire des résultats non attendus par l'ingénieur. Logiquement, ces intelligences artificielles devraient d'une certaine façon être couplées à des instruments d'observations du cosmique de nouvelle génération, de façon à ce que la co-évolution des deux puisse modifier radicalement notre regard.

Nous sommes là loin des réalités de l'astronomie quotidienne, mais il nous semble que les progrès de cette dernière ne devraient pas se passer de réflexions sur l'évolution vers des formes de super-intelligence artificielle. Si celles-ci devaient trouver matière à s'employer, ce serait bien là.

* voir Les trous noirs en question, de J.P. Petit http://www.jp-petit.com/Extensions/presentation/PQ1.htm

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