Anomalies cosmiques

Anomalies cosmiques: La science face à l'étrange

le physicien Carlo Rovelli a proposé une interprétation exhaustive en ce sens : la mécanique quantique décrirait de façon complète les systèmes physiques les uns par rapport aux autres. Cette idée de placer l’interaction plus que l’objet au cœur de l’ontologie n’est pas sans écho avec une certaine métaphysique contemporaine1

les variables physiques n’existeraient en fait qu’au moment de l’interaction ! L’état quantique d’un système n’aurait sens que vis-à-vis d’un autre objet. La fleur serait rouge pour la guêpe et bleue pour l’abeille.

Le second principe de la thermodynamique, parfois élevé au rang de postulat mystique, prend ici un visage à la fois fascinant et élémentaire. En stipulant que l’entropie ne peut qu’augmenter, il énonce en fait que le désordre ne cesse de croître

il en est tout simplement ainsi parce qu’un état désordonné est hautement plus probable qu’un état ordonné

naturelle sera nécessairement vers le désordre. Pour la raison très élémentaire qu’il existe énormément plus de configurations désordonnées

De même, le lait diffuse dans le café et la goutte initialement versée dans la tasse ne se reforme jamais. Pourtant, aucune loi n’interdit aux molécules de lait de revenir à leurs positions primitives et de reconstituer la goutte. L’énergie demeurerait conservée dans une telle évolution. Si cela n’advient pas, c’est uniquement parce que la situation où le lait forme une petite perle bien définie correspond à un état microscopique presque unique (ordonné) tandis que les situations où le lait est diffus (désordonné) sont légion. L’irréversibilité de la diffusion se comprend donc comme une simple question de probabilité : il y a presque infiniment plus de manières d’être en désordre qu’en ordre…

l’augmentation de l’entropie en fonction du temps peut également être utilisée comme une possible définition du temps. Finalement, ce qui différencie profondément le temps de l’espace tient à ce qu’un retour en arrière n’est pas temporellement possible alors qu’il est naturellement loisible de marcher dans deux directions opposées. Le fait que l’entropie ne puisse que croître est précisément la signature d’une irréversibilité fondamentale qui n’est pas sans rappeler la flèche du temps et qui pourrait être sa véritable origine

le

, le second principe de la thermodynamique est la découverte de l’asymétrie entre le passé et le futur. Il est la seule loi physique à distinguer hier de demain.

Le temps caractéristique à partir duquel la prévision de l’évolution devient techniquement impossible se nomme temps de Lyapunov. Pour un système planétaire, il s’élève à plusieurs millions d’années. Pour la météorologie, il est de l’ordre de quelques jours. Pour un centimètre cube d’argon à température ambiante, il est très inférieur à un milliardième de seconde

« crétins sphériques

Zwicky de préciser : « c’est parce qu’ils sont aussi bêtes, quel que soit l’angle sous lequel on les regarde

La cartographie du rayonnement fossile ne peut pas s’expliquer de manière satisfaisante en faisant fi de cette composante sombre. Les fluctuations n’auraient pas les caractéristiques mesurées si seule la matière visible emplissait l’espace.

l’essentiel de la matière noire se trouve être de nature non baryonique. Autrement dit : elle n’est pas composée de protons et de neutrons.

La plus prometteuse des hypothèses se nommait « supersymétrie 

Néanmoins, le grand collisionneur du CERN, le LHC, a récemment montré que cette théorie, pour attrayante qu’elle fut… ne marche pas ! Au moins dans sa forme la plus simple.

Il se pourrait alors qu’il n’y ait, en réalité, pas de matière noire et que nous commettions simplement une erreur lorsque nous concluons à son existence à partir des comportements gravitationnels

Une mesure est en partie venue lever ce doute. La collision de deux amas a en effet été observée il y a quelques années. Dans un événement de ce genre il est attendu que la matière visible et la matière noire ne se comportent pas de façon identique : la rencontre est plus violente pour certaines particules que pour d’autres. Il s’ensuit qu’il est en quelque sorte possible de « séparer » la matière usuelle de la supposée matière noire. En recourant à des effets subtils de lentilles gravitationnelles, utilisant la masse comme une sorte de loupe pour courber la lumière, il fut possible de montrer que de la matière se trouvait bien « autre part » que dans les lieux où elle était visible. Il est presque inenvisageable de rendre compte de cela avec une théorie de gravitation exotique car ce n’est plus seulement la valeur de l’attraction qu’il faudrait modifier mais également son lieu. Une gravité infléchie peut augmenter ou amoindrir la force entre les corps mais elle ne peut pas changer leurs positions

En réalité cette distinction entre matière noire et gravitation modifiée amène une question philosophique assez subtile : ces deux hypothèses sont-elles réellement différentes ? Après tout, les particules ne sont que les excitations de champs et la gravitation est elle-même un champ

Dans le cas où les « particules » de matière noire se couplent gravitationnellement avec celles du modèle standard, il est effectivement possible de montrer de manière mathématiquement précise que les deux hypothèses sont parfaitement équivalentes

L’amplitude de l’erreur, si l’on peut dire, est d’environ 10120 – un nombre si grand qu’il dépasse l’entendement. Il faut alors changer le signe de la constante cosmologique pour qu’elle engendre une décélération phénoménale compensant l’immense accélération induite par les fluctuations du vide. L’édifice devient bancal

d’énergie noire ? C’est par ce terme qu’est dénommée l’origine de l’accélération cosmologique, quoiqu’elle soit

: l’Univers est aujourd’hui très « plat ». Cela ne signifie pas qu’il ressemble à une crêpe mais que sa géométrie est euclidienne, c’est-à-dire qu’il n’a ni les caractéristiques d’une sphère ni celles d’une selle de cheval. C’est inattendu parce que la relativité générale montre que toute courbure est possible. La nullité de cette dernière (c’est-à-dire la situation de platitude), révélée par les observations, interpelle donc. Pire : quand on remonte dans le passé, il faut ajuster de plus en plus finement la valeur de la courbure de l’espace à « zéro » pour continuer à rendre compte de ce qui est vu aujourd’hui. Le problème ne vient pas de ce que l’Univers présente une courbure particulière qui était, là encore, a priori nécessairement improbable. Il vient de ce que, parmi l’infinité des valeurs possibles, celle qui est « choisie » – et ce avec une précision incroyablement élevée quand on considère l’Univers jeune – est précisément nulle. Ce n’est pas une valeur comme une autre. C’est la case verte de la roulette.

De même que notre environnement planétaire est, pour d’évidentes raisons, très éloigné de l’état moyen de l’Univers, notre Univers est peut-être radicalement particulier dans le multivers : personne ne peut simplement contempler les espaces vides et pauvres qui ne contiennent aucune créature vivante.

Par l’expression « rayons cosmiques », sont désignés les corpuscules qui sillonnent les espaces interstellaires et intergalactiques. Il peut s’agir de protons, de noyaux lourds, de photons, de neutrons…

Depuis plus de 100 ans les rayons cosmiques ont été étudiés en détail et, pour l’essentiel, ils sont bien compris. Il est vraisemblable que leur origine se trouve dans les restes de supernovæ

Ces sources sont situées à l’intérieur de notre galaxie, notre petit îlot d’univers. Elles permettent d’atteindre des énergies de l’ordre d’un million de milliards de fois (1015) celle de la lumière visible. Mais des rayons cosmiques ont été détectés au-delà de ces énergies. Il est alors probable que leur origine soit extragalactique. Les candidats les plus raisonnables pour produire ces particules d’ultra haute énergie sont les noyaux actifs de galaxies : de gros trous noirs qui peuvent devenir de redoutables accélérateurs de particules

Au-delà d’une certaine énergie (5 × 1019 fois celle de la lumière visible) les protons réagissent avec le rayonnement fossile et créent ce qu’on nomme une « résonance ». Celle-ci est de courte durée de vie et donne ensuite naissance à d’autres particules. Toujours est-il que le proton initial a perdu une fraction importante de son énergie et ce processus l’empêche de se déplacer au-delà d’environ 100 millions d’années-lumière, ce qui est assez peu à l’échelle de l’Univers

Un certain nombre de rayons cosmiques sont pourtant observés au-delà de cette énergie. Ce qui signifie clairement qu’ils ne peuvent donc pas venir de « loin 

Les flux de rayons cosmiques d’énergies extrêmes parvenant sur Terre sont très faibles : une seule particule par kilomètre carré et par siècle.

et l’observatoire Auger, situé en Argentine, a bel et bien été construit, avec une surface équivalente à celle d’un département français

que les mesures récentes laissent entendre que ces rayons cosmiques d’énergies extrêmes ne sont sans doute ni des protons, ni des photons mais plutôt des noyaux de fer

Étymologiquement, paradoxal signifie « contraire à la doxa », c’est-à-dire à l’opinion.

En sciences de la nature, l’information ne peut jamais disparaître.

si chacun s’accorde à comprendre qu’il est, en pratique, impossible de retrouver la forme initiale exacte d’un château de cartes effondré, il n’en demeure pas moins qu’il est, en principe, possible de la recouvrer à partir de la connaissance des lois de la physique et de l’observation de l’état final. Stricto sensu, aucune information n’a été perdue.

Lorsqu’un trou noir s’est entièrement évaporé, le contenu du livre éventuellement lancé dedans avant le processus paraît ainsi avoir été définitivement détruit. Et c’est cela qui est précisément interdit

Il est possible, voire probable, que les petits trous noirs, subissant une intense évaporation, n’existent pas dans le monde réel. Ils ne peuvent en effet pas être produits par l’effondrement des étoiles et leur formation repose sur des scénarios hautement spéculatifs

Le problème vient de ce que les trous noirs sont des objets extrêmement simples. Sans doute les plus simples de l’Univers. Dans les cas pertinents pour l’astrophysique, ils sont entièrement décrits par deux nombres : leur masse et leur vitesse de rotation.

Mais si donc les trous noirs sont si « dépouillés », comment pourraient-ils

L’entropie mesure le nombre d’états microscopiques pour un état macroscopique donné. Mais il semble justement que les trous noirs sont si élémentaires qu’ils n’ont précisément qu’un seul – ou presque – micro-état associé à une configuration globale donnée

Un seul trou noir très massif possède une entropie plus grande que tout le reste de l’Univers visible réuni (hors des autres trous noirs, évidemment) 

la valeur de l’entropie des trous noirs. Elle est gigantesque et proportionnelle à l’aire de leur surface

Elle porte d’ailleurs sans doute mal son nom : l’antimatière est de la matière. Elle présente simplement une charge électrique opposée. Un proton est chargé positivement, un antiproton est chargé négativement

L’antimatière

Les lois de la physique telles que nous les comprenons prévoient un monde quasi-exclusivement composé de lumière. L’annihilation de la matière originelle avec son alter ego antimatière devrait avoir essentiellement conduit à un vaste bain de rayonnement.

philosophe George Canguilhem propose une distinction essentielle entre l’anomal et l’anormal.

anormal ce qui échappe au comportement moyen, sans connotation négative. Au contraire, l’anomal relèverait d’une exceptionnalité entraînant un réel dysfonctionnement organique.

Du point de vue des mesures, serait anormale la donnée qui échappe aux attentes compte tenu des lois connues et des probabilités à l’œuvre. Par exemple, faire un double six lorsqu’on tire les dés est un petit coup de chance mais cela ne pose pas de problème majeur. Faire 10 fois de suite un double six constitue une série anormale. Quelque chose d’imprévu semble être à l’œuvre.

Serait anomal le même résultat, réitéré sous contrôle scientifique et avec du matériel non truqué.

l’exploration patiente et systématique du Cosmos semble mener plus sûrement à de grandes avancées intellectuelles que les programmes tonitruants et ultra-concurrentiels financés à grand renfort d’étiquetage « science d’excellence » par les tutelles

Il a été montré qu’un changement d’amplitude de la constante de Newton – celle-là même qui régit l’intensité de la gravitation – d’environ 10 % il y a quelques dizaines de millions d’années pourrait résoudre la « tension de Hubble2 

Dans ses premiers instants, le Cosmos était très vraisemblablement dominé par une entité assez mystérieuse nommée « champ scalaire 

Cette étrange matière, diffuse, a l’extraordinaire vertu de conduire à une croissance immodérée, plus précisément exponentielle, de la taille de l’Univers1

Le désordre augmente, conformément au fait que le chaos représente une configuration beaucoup plus probable que l’ordre.

La deuxième loi de la thermodynamique, vraisemblablement la plus remarquable de toute la science, montre que l’entropie ne peut que croître.

Si cette loi est si centrale, c’est parce qu’il s’agit de la seule qui distingue le passé du futur. Elle est l’unique à faire apparaître en physique une authentique irréversibilité

Afin que, depuis près de 14 milliards d’années, l’entropie de l’Univers ne cesse d’augmenter

il faut donc que sa valeur initiale ait été extraordinairement faible.

l’état initial de l’Univers ne résulte pas d’une action préalable, il est littéralement initial. Pourquoi donc est-il très ordonné (de très faible entropie) ?

les vivants seraient ceux qui, de par leurs modes d’interaction avec l’environnement, verraient une entropie fortement croissante.

La faible entropie initiale de l’Univers serait alors reflétée par ce que nous sommes et ce que sont les variables physiques pertinentes pour nous

Ce que propose Rovelli est qu’en réalité la notion d’entropie soit perspectiviste. Autrement dit, nous verrions une entropie initiale de l’Univers faible parce qu’en tant qu’être vivant – ayant besoin d’une forte orientation temporelle pour exister –, il ne peut en être autrement. Mais l’entropie initiale ne serait pas intrinsèquement petite, il s’agirait d’un effet de point de vue

La théorie des cordes prédit en effet un espace à 9 (ou 10) dimensions tandis que notre monde n’en présente que 3. Elle prédit en outre une constante cosmologique négative alors que nous l’avons mesurée positive. Elle prédit enfin l’existence d’une nouvelle symétrie fondamentale qui n’est manifestement pas à l’œuvre dans la nature ainsi que des effets potentiellement mesurables dans le rayonnement cosmologique fossile qui se sont dérobés aux meilleurs observatoires. Il semble donc que la théorie des cordes soit simplement fausse.

Le « normal », en théorie des cordes, ne ressemble pas à l’Univers tel que nous le connaissons. Il se pourrait en effet que notre monde soit très spécifique au sein d’un ensemble d’univers présentant en moyenne des caractéristiques plus typiques de ce que la théorie prédit

Peut-être, simplement, parce que de telles propriétés le rendent hospitalier à la vie tandis que les autres seraient mornes et uniformes

Les neutrinos sont donc des particules massives, c’est la leçon du déficit apparent en provenance du Soleil

Le modèle standard prévoit en effet que les neutrinos devraient être dépourvus de masse. Les particules usuelles deviennent massives par interaction avec le fameux boson de Higgs1

Quand bien même sa valeur pourrait sembler dérisoire en comparaison de celle d’un proton ou même d’un électron, la contribution des neutrinos à la masse totale de l’Univers est – eu égard à leur nombre considérable – très significative, plus importante que celle de toutes les étoiles réunies…

Or, Alexander Grothendieck, génie hors norme de la pensée formelle, a également réfléchi en profondeur sur la pratique des sciences. Jusqu’à en venir à considérer que la recherche telle qu’elle est pratiquée est une anomalie. Par le jeu des luttes de pouvoir, de la quête du prestige, de la pression académique, elle est dévoyée et détournée de son objet. Pire, elle soutient, selon lui, une société techno-capitaliste qui

ne peut que mener à une catastrophe écologique et sociale globale. Grothendieck en tira des conséquences radicales quant à sa propre vie, mettant fin à sa carrière stellaire de chercheur au profit d’une vie simple et recluse