Comprendre la cosmologie et son impact

La cosmologie peut être une discipline difficile à maîtriser, car c’est un domaine d’étude de la physique qui touche à de nombreux autres domaines. (Bien qu’en vérité, de nos jours, presque tous les domaines d’étude de la physique touchent à de nombreux autres domaines). Qu’est-ce que la cosmologie ? Que font réellement les personnes qui l’étudient (appelées cosmologistes) ? Quelles sont les preuves de leur travail ?

La cosmologie en un coup d’œil

La cosmologie est la discipline scientifique qui étudie l’origine et le destin éventuel de l’univers. Elle est étroitement liée aux domaines spécifiques de l’astronomie et de l’astrophysique, bien que le siècle dernier ait également rapproché la cosmologie des connaissances clés de la physique des particules.

En d’autres termes, nous arrivons à une réalisation fascinante :

Notre compréhension de la cosmologie moderne vient du fait que nous relions le comportement des plus grandes structures de notre univers (planètes, étoiles, galaxies et amas de galaxies) à celui des plus petites structures de notre univers (particules fondamentales).

Histoire de la cosmologie

L’étude de la cosmologie est probablement l’une des plus anciennes formes d’enquête spéculative sur la nature, et elle a commencé à un moment de l’histoire où un ancien humain a regardé vers les cieux et s’est posé des questions telles que les suivantes :

• Comment en sommes-nous arrivés là ?
• Que se passe-t-il dans le ciel nocturne ?
• Sommes-nous seuls dans l’univers ?
• Quelles sont ces choses qui brillent dans le ciel ?

Vous avez compris.

Les anciens ont fait d’assez bonnes tentatives pour les expliquer. La principale d’entre elles, dans la tradition scientifique occidentale, est la physique des anciens Grecs, qui ont développé un modèle géocentrique complet de l’univers, qui a été affiné au fil des siècles jusqu’à l’époque de Ptolémée, à laquelle la cosmologie n’a pas vraiment évolué pendant plusieurs siècles, sauf dans certains détails concernant les vitesses des différents composants du système.

L’avancée majeure suivante dans ce domaine est venue de Nicolaus Copernic en 1543, lorsqu’il a publié son livre d’astronomie sur son lit de mort (anticipant qu’il provoquerait une controverse avec l’Église catholique), en exposant les preuves de son modèle héliocentrique du système solaire. L’idée clé qui a motivé cette transformation de la pensée était l’idée qu’il n’y avait pas de raison réelle de supposer que la Terre occupait une position fondamentalement privilégiée dans le cosmos physique. Ce changement d’hypothèses est connu sous le nom de principe copernicien. Le modèle héliocentrique de Copernic est devenu encore plus populaire et accepté sur la base des travaux de Tycho Brahe, Galileo Galilei et Johannes Kepler, qui ont accumulé des preuves expérimentales substantielles à l’appui du modèle héliocentrique copernicien.

Mais c’est Sir Isaac Newton qui a réussi à rassembler toutes ces découvertes pour expliquer réellement les mouvements de la planète. Il a eu l’intuition et la perspicacité de réaliser que le mouvement des objets tombant sur la terre était similaire au mouvement des objets orbitant autour de la terre (en substance, ces objets tombent continuellement autour de la Terre). Comme ce mouvement était similaire, il a réalisé qu’il était probablement causé par la même force, qu’il a appelée la gravité. Grâce à une observation attentive et au développement de nouvelles mathématiques appelées calcul et de ses trois lois du mouvement, Newton a pu créer des équations qui décrivent ce mouvement dans diverses situations.

Bien que la loi de Newton sur la gravité ait permis de prédire le mouvement des cieux, il y avait un problème… la façon dont elle fonctionnait n’était pas exactement claire. La théorie proposait que les objets ayant une masse s’attirent mutuellement dans l’espace, mais Newton n’a pas pu développer une explication scientifique du mécanisme utilisé par la gravité pour y parvenir. Afin d’expliquer l’inexplicable, Newton s’est appuyé sur un appel générique à Dieu. En gros, les objets se comportent de cette façon en réponse à la présence parfaite de Dieu dans l’univers. Pour obtenir une explication physique, il faudrait attendre plus de deux siècles, jusqu’à l’arrivée d’un génie dont l’intellect pourrait éclipser même celui de Newton.

La relativité générale et le Big Bang

La cosmologie de Newton a dominé la science jusqu’au début du XXe siècle, lorsqu’Albert Einstein a développé sa théorie de la relativité générale, qui a redéfini la compréhension scientifique de la gravité. Dans la nouvelle formulation d’Einstein, la gravité était causée par la flexion de l’espace-temps en 4 dimensions en réponse à la présence d’un objet massif, comme une planète, une étoile, ou même une galaxie.

L’une des implications intéressantes de cette nouvelle formulation était que l’espace-temps lui-même n’était pas en équilibre. En peu de temps, les scientifiques ont réalisé que la relativité générale prédisait que l’espace-temps allait soit s’étendre, soit se contracter. Croyant que l’univers était en fait éternel, Einstein a introduit une constante cosmologique dans la théorie, qui a fourni une pression qui a contrecarré l’expansion ou la contraction. Cependant, lorsque l’astronome Edwin Hubble a finalement découvert que l’univers était en fait en expansion, Einstein a réalisé qu’il avait fait une erreur et a retiré la constante cosmologique de la théorie.

Si l’univers était en expansion, alors la conclusion naturelle est que si vous rembobiniez l’univers, vous verriez qu’il doit avoir commencé dans un minuscule et dense amas de matière. Cette théorie sur la façon dont l’univers a commencé s’est appelée la théorie du Big Bang. Cette théorie a été controversée jusqu’au milieu du XXe siècle, car elle se battait pour la domination contre la théorie du régime permanent de Fred Hoyle. La découverte du rayonnement de fond des micro-ondes cosmiques en 1965 a cependant confirmé une prédiction qui avait été faite en relation avec le big bang, de sorte qu’elle a été largement acceptée par les physiciens.

Bien qu’on lui ait donné tort sur la théorie de l’état stationnaire, on attribue à Hoyle les principaux développements de la théorie de la nucléosynthèse stellaire, qui est la théorie selon laquelle l’hydrogène et d’autres atomes légers sont transformés en atomes plus lourds dans les creusets nucléaires appelés étoiles, et recrachés dans l’univers à la mort de l’étoile. Ces atomes plus lourds se transforment ensuite en eau, en planètes et finalement en vie sur Terre, y compris les humains ! Ainsi, selon les mots de nombreux cosmologistes stupéfaits, nous sommes tous formés de poussière d’étoile.

Bref, revenons à l’évolution de l’univers. Alors que les scientifiques obtenaient plus d’informations sur l’univers et mesuraient plus précisément le rayonnement de fond des micro-ondes cosmiques, un problème se posait. Au fur et à mesure que des mesures détaillées ont été prises sur les données astronomiques, il est devenu évident que les concepts de la physique quantique devaient jouer un rôle plus important dans la compréhension des premières phases et de l’évolution de l’univers. Ce domaine de la cosmologie théorique, bien qu’encore très spéculatif, a connu une croissance assez fertile et est parfois appelé cosmologie quantique.

La physique quantique a montré un univers qui était assez proche d’être uniforme en énergie et en matière mais qui n’était pas complètement uniforme. Cependant, toute fluctuation dans l’univers primitif aurait considérablement augmenté au cours des milliards d’années d’expansion de l’univers… et les fluctuations étaient beaucoup plus faibles que ce à quoi on pouvait s’attendre. Les cosmologistes ont donc dû trouver un moyen d’expliquer un univers primitif non uniforme, mais qui ne présentait que des fluctuations extrêmement faibles.

Entrez Alan Guth, un physicien des particules qui s’est attaqué à ce problème en 1980 avec le développement de la théorie de l’inflation. Les fluctuations dans l’univers primitif étaient des fluctuations quantiques mineures, mais elles se sont rapidement étendues dans l’univers primitif en raison d’une période d’expansion ultra-rapide. Les observations astronomiques effectuées depuis 1980 ont étayé les prévisions de la théorie de l’inflation et c’est aujourd’hui l’opinion consensuelle de la plupart des cosmologistes.

Mystères de la cosmologie moderne

Bien que la cosmologie ait beaucoup progressé au cours du siècle dernier, il reste encore plusieurs mystères ouverts. En fait, deux des mystères centraux de la physique moderne sont les problèmes dominants de la cosmologie et de l’astrophysique :

• Matière noire – Certaines galaxies se déplacent d’une manière qui ne peut pas être entièrement expliquée en fonction de la quantité de matière qui est observée en leur sein (appelée « matière visible »), mais qui peut être expliquée s’il y a une matière invisible supplémentaire dans la galaxie. Cette matière supplémentaire, qui devrait occuper environ 25 % de l’univers, selon les dernières mesures, est appelée « matière noire ». En plus des observations astronomiques, des expériences sur Terre telles que la recherche cryogénique de la matière noire (CDMS) tentent d’observer directement la matière noire.
• Énergie noire – En 1998, des astronomes ont tenté de détecter la vitesse à laquelle l’univers ralentissait … mais ils ont constaté qu’il ne ralentissait pas. En fait, le taux d’accélération s’accélérait. Il semble que la constante cosmologique d’Einstein ait été nécessaire après tout, mais au lieu de maintenir l’univers dans un état d’équilibre, elle semble en fait pousser les galaxies à se séparer de plus en plus vite au fil du temps. On ne sait pas exactement ce qui provoque cette « gravité répulsive », mais le nom que les physiciens ont donné à cette substance est « énergie sombre ». Les observations astronomiques prédisent que cette énergie sombre constitue environ 70 % de la substance de l’univers.

Il existe d’autres suggestions pour expliquer ces résultats inhabituels, comme la dynamique newtonienne modifiée (MOND) et la cosmologie à vitesse variable de la lumière, mais ces alternatives sont considérées comme des théories marginales qui ne sont pas acceptées par de nombreux physiciens dans ce domaine.

Les origines de l’univers

Il convient de noter que la théorie du big bang décrit en fait la façon dont l’univers a évolué depuis peu après sa création, mais ne peut donner aucune information directe sur les origines réelles de l’univers.

Cela ne veut pas dire que la physique ne peut rien nous apprendre sur les origines de l’univers. Lorsque les physiciens explorent la plus petite échelle de l’espace, ils découvrent que la physique quantique aboutit à la création de particules virtuelles, comme en témoigne l’effet Casimir. En fait, la théorie de l’inflation prédit qu’en l’absence de toute matière ou énergie, l’espace-temps s’étendrait. Pris au pied de la lettre, cela donne donc aux scientifiques une explication raisonnable sur la façon dont l’univers pourrait initialement voir le jour. S’il y avait un véritable « rien », pas de matière, pas d’énergie, pas d’espace-temps, alors ce rien serait instable et commencerait à générer de la matière, de l’énergie et un espace-temps en expansion. C’est la thèse centrale de livres tels que The Grand Design et A Universe From Nothing, qui postulent que l’univers peut être expliqué sans référence à une déité créatrice surnaturelle.

Le rôle de l’humanité dans la cosmologie

On ne saurait trop insister sur l’importance cosmologique, philosophique et peut-être même théologique de reconnaître que la Terre n’est pas le centre du cosmos. En ce sens, la cosmologie est l’un des premiers domaines qui a fourni des preuves en conflit avec la vision religieuse traditionnelle du monde. En fait, chaque avancée de la cosmologie semble aller à l’encontre des hypothèses les plus chères que nous aimerions formuler sur la spécificité de l’humanité en tant qu’espèce… du moins en termes d’histoire cosmologique. Ce passage de The Grand Design de Stephen Hawking et Leonard Mlodinow expose avec éloquence la transformation de la pensée qui est venue de la cosmologie :

Le modèle héliocentrique du système solaire de Nicolaus Copernic est reconnu comme la première démonstration scientifique convaincante que nous, les humains, ne sommes pas le point focal du cosmos…. Nous réalisons maintenant que le résultat de Copernic n’est que l’une des démonstrations emboîtées qui renversent les hypothèses de longue date concernant le statut spécial de l’humanité : nous ne sommes pas situés au centre du système solaire, nous ne sommes pas situés au centre de la galaxie, nous ne sommes pas situés au centre de l’univers, nous ne sommes même pas faits des ingrédients sombres constituant la grande majorité de la masse de l’univers. Ce déclassement cosmique … illustre ce que les scientifiques appellent aujourd’hui le principe copernicien : dans l’ensemble, tout ce que nous savons indique que les êtres humains n’occupent pas une position privilégiée.