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11 Novembre 2003
par Jean-Paul Baquiast et Christophe Jacquemin
L'Univers selon
Leonard Susskind
 Leonard
Susskind, professeur à Stanford, est un des pères
de la théorie des cordes, qui cherche à unir la mécanique
quantique et la gravitation. Comme on le sait, les applications
de ces travaux concernent aussi bien la physique microscopique que
la cosmologie. Dans un article du NewScientist (01/11/2003)
assez "groundbreaking", selon l'expression britanniques,
l'auteur étudie les éléments récents
permettant de légitimer l'hypothèse anthropique dite
"faible". Celle-ci cherche à expliquer l'étonnante
convergence des lois et constantes de la nature ayant permis l'apparition
de l'homme et de la conscience. Quelques infimes modifications de
décimales dans les constantes auraient rendu la vie impossible.
Pourquoi ces modifications ne se sont-elles pas produites? Si on
exclut l'hypothèse anthropique "forte" ou finaliste,
selon laquelle le monde est ce qu'il est car il avait été
dessiné dès l'origine pour permettre l'apparition
de l'homme, il faut admettre que nous habitons le seul univers parmi
une infinité d'autres pouvant permettre la vie et l'intelligence
telles que nous les concevons. Ajoutons en passant un point rarement
évoqué par les défenseurs du principe anthropique
faible. Si celui-ci s'appliquant à l'univers entier, justifiait
l'apparition de la vie sur Terre, il n'y aurait aucune raison de
supposer que la même cause n'aurait pas favorisé similairement
l'apparition de la vie sur les milliards de milliards de planètes
peuplant les milliards de galaxies de l'univers visible. Ce qui
vaudrait dire que la vie et l'intelligence sont partout dans notre
univers.
Nous avons dans une série d'articles
évoqué les conséquences philosophiques de telles
perspectives, généralement passées sous silence
par les philosophes français contemporains. Il est donc intéressant
d'analyser les arguments de Leonard Susskind, expert incontesté,
en faveur de ce principe anthropique faible. Rappelons que nous
avons précédemment consacré aux travaux du
physicien Lee Smolin, sur des thèmes très voisins,
une page de notre rubrique
Publiscopie.
L'article commence par un rappel
du jugement du physicien Steven Weinberg dans son ouvrage à
succès Dreams of a Final Theory, 1994 : on ne peut
pas comprendre l'univers tel qu'il nous apparaît sans y inclure
l'homme. Ce jugement avait d'autant plus surpris qu'il provenait
d'un irréductible matérialiste, pour qui toutes les
lois naturelles découlent de l'interaction entre particules
élémentaires. A l'époque, en tant que physicien,
Weinberg espérait que la théorie des cordes, dont
il est un des pères, allait déboucher sur une théorie
finale au sein de laquelle toutes les constantes de la nature pourraient
être prédites avec précision, sans faire appel
à l'existence de l'homme comme facteur explicatif. Mais en
tant que cosmologiste, Weinberg devait tenir compte d'un phénomène
qui venait d'être suspecté, une accélération
continue de l'expansion de l'univers.
La constante
cosmologique
Cette accélération
est attribuée aujourd'hui à l'influence d'une constante
dite "constante cosmologique". Le concept avait été
imaginé par Einstein pour expliquer le fait que les corps
célestes ne s'effondraient pas les uns sur les autres sous
l'effet de la gravité ("Ma plus grosse bêtise",
avait dit Einstein). Mais la bêtise du grand physicien s'est
révélée ultérieurement prémonitoire,
avec la découverte de ce phénomène d'expansion
accélérée, plus rapide que la vitesse d'expansion
jusqu'ici considérée comme standard suite à
l'observation de la fuite des galaxies annoncée par Hubble.
Aujourd'hui, le concept de constante cosmologique, dite aussi énergie
du vide, désigne la force qui dans les modèles contemporains
paraît causer ladite expansion accélérée.
Or, la constante cosmologique, estimée grâce aux observations
satellitaires récentes, paraît avoir la valeur exacte
indispensable pour que toutes les autres lois physiques que nous
connaissons en découlent. Ces lois elles-mêmes apparaissent
comme ajustées (fine-tuned) aux décimales près
pour permettre la formation du système solaire, celle de
la terre, celle de la vie terrestre et finalement de l'intelligence
humaine.
Peut-on concilier les observations
cosmologiques mettant en évidence une constante cosmologique
avec les travaux de la théorie des cordes ? Les physiciens
des particules qui développent cette dernière ne désespèrent
pas, nous dit Leonard Susskind, de trouver en cette dernière
l'ultima ratio expliquant pourquoi l'univers est ce qu'il est, ou
plutôt pourquoi l'univers ne pouvait pas être ce qu'il
n'est pas. Leur espoir est que la théorie des cordes, ou
celles susceptibles de lui succéder (l'hypothétique
Théorie du Tout …), pourront décrire la nature
d'une façon unique. Ainsi s'expliqueraient toutes les lois
physiques, y compris la supposée constante cosmologique,
de telle sorte qu'il n'y aurait pas lieu de s'étonner de
leur ajustement réciproque, les secondes découlant
des premières. De la même façon, connaissant
les théories de l'hérédité, nous ne
nous étonnons pas de voir les caractères des ascendants
se transmettre aux descendants selon certaines lois bien précises.
Mais il faut revenir à la
constante cosmologique. Celle-ci paraît aujourd'hui interdire
l'espoir de voir une théorie de la physique fondamentale
expliquer une accélération de l'expansion ne diminuant
pas avec le temps, contrairement aux hypothèses précédentes
selon lesquelles au Big Bang devait succéder un Big Crunch
? On sait qu'aujourd'hui, on désigne par vide un état
quantique complexe, fluctuant, dans lequel les particules sont constamment
créées et annihilées à une vitesse telle
qu'elle échappe aux détecteurs les plus sensibles.
C'est un tel vide qui aurait précédé (si l'on
peut dire, puisque la dimension temps n'existait pas alors) le Big
Bang, ou que l'on retrouverait au cœur de certains trous noirs.
Comme toute énergie, celle du vide crée un champ gravitationnel
répulsif, s'accroissant avec la distance. Mais cette répulsion
doit être obligatoirement très faible, sinon quasiment
nulle. Sinon, ses effets perturberaient l'équilibre gravitationnel
que nous observons entre les corps célestes. Ce n'est qu'aux
échelles cosmologiques que le champ gravitationnel deviendrait
perceptible.
Mais alors pourquoi, dans cette
hypothèse, l'énergie du vide, résultant des
créations et annihilations de particules positives et négatives,
serait-elle ajustée avec assez de précision pour être
quasiment nulle ? Si elle ne l'était pas, nous ne serions
pas là pour en parler. On peut poser la question autrement
: pourquoi les fluctuations de l'énergie du vide aboutissent-elles
à un résultat quasiment nul, sauf un petit quelque
chose à la 120e décimale qui les rend finalement positives,
de sorte que l'expansion de l'univers peut subir une accélération
constante ?
En 1961, le cosmologiste Robert Dicke de Princeton (1916-1997) avait
fait remarquer ce que nous évoquions plus haut : pourquoi,
parmi l'infini variété des solutions possibles, l'univers
a-t-il l'âge qu'on lui suppose ? Il avait répondu en
disant que s'il avait eu un âge très différent,
plus jeune ou plus vieux, la vie et l'homme n'auraient pu apparaître
ou auraient déjà disparu. Ainsi introduisit-il le
principe anthropique. Le raisonnement fut étendu ensuite
à l'ensemble des paramètres nécessaires à
l'apparition de l'homme et de sa conscience. Weinberg a montré
qu'il en était de même de la constante cosmologique.
Toute valeur de celle-ci différente, même à
la centaine de décimales, rendrait la vie improbable, sinon
impossible. Qui ou quoi en ce cas lui a donné la valeur qu'elle
a ?
Si l'on exclut le doigt de Dieu, on aboutit, pour répondre
à cette question, à l'hypothèse des multivers,
proposée initialement par André Linde de Stanford
: dans un univers infiniment plus grand que celui susceptible d'être
exploré par nous, il pourrait exister des espaces où
la constante cosmologique prendrait d'autres valeurs, entraînant
d'autres conséquences quant à l'émergence des
astres et de leurs contenus. De plus, le nombre de ces espaces possibles
pourrait être quasi infini, de sorte que la probabilité
de trouver parmi eux un univers adapté à l'homme ne
soit pas nulle ?
Une position
conciliatrice
Dans cette opposition latente entre
théoriciens des cordes et cosmologistes, Leonard Susskind
s'efforce de trouver une position conciliatrice. Il ne cache pas
sa perplexité. Il a participé aux développements
de la théorie des cordes qui, nous l'avons dit, serait incompatible
avec l'hypothèse que l'univers global pourrait adopter des
formes non uniques. Mais il a aussi étudié avec des
collègues cosmologistes les observations récentes
relatives à l'expansion de l'univers conformément
à la constante cosmologique. Il s'est convaincu que la recherche
d'une théorie susceptible d'expliquer d'une seule et unique
façon les lois physiques devait être considérée
dorénavant comme une illusion, sauf à renoncer à
la constante cosmologique. En effet, une théorie légitimant
le principe anthropique requiert deux conditions : avoir un nombre
infini de solutions et expliquer pourquoi l'évolution de
l'espace conduit naturellement à un univers comportant toutes
ces solutions.
La théorie des cordes est loin d'être achevée.
Mais elle ne laisse pas pour le moment espérer de solution
unique susceptible de tout expliquer. Elle comporte des centaines
de variables dont les choix de valeur et les combinaisons peuvent
conduire à des solutions d'univers (ou plutôt de vides)
très différentes. Parmi ces solutions en nombre immensément
grand, il serait très improbable que ne se trouve pas un
espace doté d'un type de vide (d'une constante cosmologique)
propre à faire apparaître la vie et l'homme, c'est-à-dire
justifier le principe anthropique. Mais on ne pourra développer
l'hypothèse que si les théoriciens des cordes peuvent
produire les mathématiques nécessaires à la
modélisation de la diversité des espaces compatibles
avec la théorie.
Si pourtant ce résultat était atteint, l'hypothèse
des multivers pourrait prendre de la consistance. On pourrait admettre
que les fluctuations quantiques de l'énergie du vide génèrent
à tous moments des univers de poche ou bébé-univers,
dont certains prennent de la consistance et comportent des conditions
susceptibles d'abriter des formes de...on ne sait quoi, on ne dira
pas de vie, mais de quelque chose qui y ressemblerait. Notre univers
serait l'un d'eux, unique dans la multitude des autres, réglé
de telle sorte qu'il aurait permis l'apparition de l'homme.
Certes, les mathématiques adéquates de la théorie
des cordes n'ont pas encore été développées
et, parallèlement, nul n'imagine par quelles technologies
observer des populations de bulles d'univers à leur naissance,
encore moins des univers adultes tels que le nôtre. Mais rien
ne dit que ces difficultés ne se résoudront pas en
partie à l'avenir. "We shall see" (on verra), conclut
l'auteur. .
Quoi qu'il en soit, nous pouvons
ici convenir que de telles hypothèses relatives à
l'univers et à ses lois, émanant de gens aussi sérieux
que le sont les physiciens théoriciens et les cosmologistes
expérimentaux, ne peuvent que commencer à bouleverser
radicalement les conceptions du monde qui étaient admises
dans la plus grande partie du 20e siècle. Beaucoup de scientifiques
pressentent pour les prochaines années un changement très
profond dans notre façon de voir le monde et de nous voir
nous-mêmes.
Encore faudra-t-il admettre la forme de réalisme dont nous
avons discuté dans divers articles de cette revue (voir notamment
dans ce numéro notre article Un réel
constructible), selon laquelle il existe une réalité
extérieure à l'observateur dont celui-ci peut espérer
rendre de mieux en mieux compte, en affinant ses méthodes
de modélisation et ses moyens instrumentaux. De plus en plus
de gens se refusent désormais à voir le réel
de cette façon.
Pour en savoir plus
Sur Leonard Susskind.
CV : http://www.stanford.edu/dept/physics/people/faculty/susskind_leonard.html
Lire aussi un article de Susskind développant
la théorie résumée ici : http://arxiv.org/abs/hep-th/0302219
Sur Steven Weinberg, prix Nobel
de Physique 1979, auteur de divers livres dont Dreams of a Final
Theory, 1994 :
http://www.pbs.org/faithandreason/bio/wein-body.html,
Sur Robert Dicke : http://www.nap.edu/html/biomems/rdicke.html
Sur Andre Linde : http://www.stanford.edu/~alinde/
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