Un-univers-en-question

 

 La physique fondamentale et la cosmologie font face à deux immenses défis : la découverte de la nature effective de notre univers et l’explication de l’accélération apparente de son expansion.

Tous les amateurs de sciences en trouveront les traces dans la littérature grand-public contemporaine. Peut-être est-il bon d'en rappeler les raisons, ne serait-ce qu'à grands traits.

La plus ancienne des deux énigmes naît des manières profondément divergentes qu'ont la théorie de la relativité et la mécanique quantique de concevoir la structure de notre univers.

Pour la version restreinte de la première, il y a la matière d'un côté et le vide de l'autre ; en dépit de l’aspect révolutionnaire des idées qu’elle introduit à la fin du dix-neuvième siècle, elle s’inscrit dans la prolongation des théories d’essence classique. Cette partition matérialiste, entre ce qui est et ce qui n'est pas, résulte en fait de l'analyse qui a été faite de l'expérience historique réalisée en 1887 par Morley et Michelson.

La seconde (la mécanique quantique) assimile l'univers à un vaste océan ondulatoire. Plus l'attention se penche sur les échelles les plus petites et plus la stricte dichotomie entre ce qui relève ostensiblement du matériel à l'échelle humaine et ce qui semble dépendre majoritairement de l'ondulatoire s’estompe.

Cette différence de point de vue a une conséquence dramatique pour notre compréhension de la nature. Pour la première, l'énergie est bien localisée et concentrée au sein des manifestations matérielles (E = m. c2).

Pour la seconde, elle est diffuse dans l'espace-temps et répartie entre les différentes fréquences ondulatoires des champs. L’estimation de la densité d'énergie contenue par mètre cube dans les régions interstellaires diverge de manière catastrophique selon qu’elle s’appuie sur les principes émis par l’une ou l’autre. Pour la théorie de la relativité, les espaces interstellaires sont des zones quasiment vides et donc, très logiquement, il y a peu de chose à y trouver ; ce n'est évidemment pas le point de vue quantique. Mais laissons-là ce débat [04], [05].

Le second défi concerne la récente découverte (1998) de l'expansion croissante [02 ; chapitre 5, pp. 59-91] de notre univers à laquelle il faut ajouter celle de la structure en réseau de sa partie matérielle classique.

Ce constat génère un problème comptable au niveau du bilan énergétique. Il fonde à lui seul un triple problème : (i) la matière ordinaire ne représente environ que cinq pour cent du tout mais nous n’en voyons que la moitié ; (ii) la matière sombre et (iii) l’existence d'une hypothétique énergie sombre dont, il faut bien le dire, nous ne comprenons actuellement pas grand-chose.

Des mesures récentes mais non confirmées [06, p. 6], semblent apporter l’espoir de résoudre l’énigme (i) en ce sens que la partie invisible de la matière ordinaire serait baryonique et intergalactique ; à raison de un baryon par mètre cube.

La matière sombre entoure certaines galaxies de halos mais pas d’autres ; elle donne naissances à certaines théories modifiées de la gravitation (MOND).

Quant à la troisième énigme, elle s’inscrit dans une quête centenaire d’une théorie quantique de la gravitation. Vingt-cinq chantiers sont actuellement ouverts. Parmi eux, l’hypothèse consistant à assimiler les régions vides de matière observable à une sorte de fluide parfait a ma préférence ; je la développe avec de modestes moyens sur ce site – voir le modèle standard revisité. L'équation d'état de cette famille de fluide est connue et étudiée depuis longtemps puisque les passionnés en retrouveront des traces dans un ouvrage daté de 1955 [03].

Pour être à peu près exhaustif, il faut encore ajouter que certaines équipes scientifiques cherchent aussi à résoudre les équations de la relativité générale grâce à un usage intensif de l'informatique et espère ainsi pouvoir reproduire sur écran les structures stellaires observées... sans être obligées d’accepter cette mystérieuse énergie sombre.

Ils avancent par exemple l'hypothèse selon laquelle les diverses structures matérielles géantes, souvent réparties autour de gigantesques bulles de vide, auraient un comportement analogue à celui d'une immense mousse polymérique.

Les interactions gravitationnelles auraient alors parfois un effet apparemment répulsif destiné à équilibrer la pression moyenne de cette étrange mousse galactique.

La perception de l'existence d'un fluide parfait au sein des bulles vides ne serait finalement qu'une illusion rendant compte, en miroir, des phénomènes ayant lieu au sein des parties réelles et matérielles de notre univers. Là aussi, le débat sur la partition stricte entre matériel et néant réapparaît.

Pour l'heure, les théoriciens ne savent toujours pas résoudre les équations de la théorie de la relativité générale de manière systématique.

Pour ce qui me concerne, je risquerai bien modestement de signaler un de mes premiers travaux. Il établit un lien relativement simple entre l'équation d'état présumée des espaces vides interstellaires et des considérations classiques sur les cordes élastiques en élongation (ou en contraction). Ce travail ancien prend un relief nouveau en ce sens qu'il semble décrire la dichotomie dont je viens de me faire à nouveau le narrateur.

Les structures matérielles en élongation ou en contraction peuvent bien s'identifier avec les structures galactiques observables. Si je note que ces structures élastiques (les cordes) semblent bien souvent tangentes aux immenses bulles de vide parce qu'elles s'étendent à leurs périphéries (ou peut-être même en constituent la surface), il me semble que mes calculs rendent compte de manière cohérente de la complémentarité  (et non pas de l'opposition/contradiction) des points de vue défendus par l'une et l'autre approche : la relativiste et la quantique.  

Sources d'inspiration de cet article :

[01] Adventure in a lumpy space; Sciences News, November 25, 2017.

[02] Reeves, H. : Dernières nouvelles du cosmos ; éditions du Seuil, septembre 1994.

[03] Lichnerowicz, A. : Théories relativistes de la gravitation et de l'électromagnétisme ; 1955, Massons et Compagnie, Editeurs, Paris.

[04] Weinberg, S.: The cosmological constant problem; copyright, 1988, APS - reviews of modern physics, Vol. 61, number 1, January 1989.

[05] The weight of the vacuum; arXiv: hep-th/0212290v2, 26 February 2003.

[06] Missing matter may be found; Sciences News, June 20, 2020.

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event Date de dernière mise à jour : 04/08/2020

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