Jean-Philippe Uzan

Big-Bang

Comprendre l’univers
depuis ici et maintenant

© Flammarion, 2018.
© Flammarion, 2021, pour l’édition « Champs ».

ISBN Epub : 9782080240781

ISBN PDF Web : 9782080240804

Le livre a été imprimé sous les références :

ISBN : 9782081511040

Ouvrage composé et converti par Pixellence (59100 Roubaix)

Présentation de l'éditeur

L’univers aurait 13,7 milliards d’années, lit-on souvent. Mais que signifie vraiment une telle affirmation ?

Dans cette synthèse magistrale, Jean-Philippe Uzan nous invite à comprendre la construction du modèle du big-bang, cette théorie qui vise à décrire l’univers et son histoire. Au fil des pages se dessine un extraordinaire échafaudage qui, en un siècle, a bouleversé notre représentation du cosmos comme de l’espace et du temps.

Aujourd’hui, la cosmologie se trouve à un moment charnière : alors que les satellites et les télescopes géants se multiplient, que les fenêtres d’observation s’ouvrent vertigineusement – ondes gravitationnelles, neutrinos –, les médias font leur une sur des scénarios pour le moins spéculatifs. Il devient ainsi urgent de clarifier les questions auxquelles la science prétend répondre, celles qui ne sont pas encore connues comme celles qui restent en dehors de son champ explicatif. Voilà l’ambition de cet ouvrage qui, tout en célébrant l’une des plus belles théories jamais élaborées par l’esprit humain, démêle finement mythe et savoir.

Prix Ciel & Espace du livre d’astronomie 2019.

Jean-Philippe Uzan est physicien théoricien, spécialiste de cosmologie et de gravitation. Directeur de recherche au CNRS, il travaille à l’Institut d’astrophysique de Paris. Il est notamment l’auteur de L’Harmonie secrète de l’univers (« Champs », 2019).

Du même auteur

Bénédicte Leclercq et Jean-Philippe Uzan, L’Importance des constantes : de la mesure au cosmos, Dunod, coll. « Quai des sciences », 2020.

Nathalie Deruelle et Jean-Philippe Uzan, Relativity in modern physics, Oxford University Press, 2018.

SMITH et Antonin-Tri Hoang, avec Jean-Philippe Uzan, Saturnium, conte musical et photographique, Actes Sud, 2017.

Jean-Philippe Uzan, L’Harmonie secrète de l’Univers, Éd. la ville brûle, 2017 ; Flammarion, coll. « Champs », 2019.

Cédric Villani, Jean-Philippe Uzan et Vincent Moncorgé, La maison des mathématiques, Le Cherche Midi, 2014.

Nathalie Deruelle et Jean-Philippe Uzan, Théories de la relativité, Belin, coll. « Échelles », 2014.

Jean-Philippe Uzan et al., Variations sur un même ciel, Éd. la ville brûle, 2012.

Aurélien Barrau, Patrick Gyger, Max Kistler et Jean-Philippe Uzan, Multivers : mondes possibles de l’astrophysique, de la philosophie et de l’imaginaire, Éd. la ville brûle, coll. « 360 », 2010 ; Conversation sur les multivers, Flammarion, coll. « Champs », 2020.

Patrick Peter et Jean-Philippe Uzan, Primordial cosmology, Oxford University Press, 2009.

Jean-Philippe Uzan, Ici l’Univers, Éd. le Pommier, coll. « Les minipommes » (no 21), 2007.

Gilbert Pietryk (dir.), Panorama de la physique, Belin, 2007.

Nathalie Deruelle et Jean-Philippe Uzan, Mécanique & gravitation newtoniennes : cours de physique théorique, Vuibert, 2006.

Jean-Philippe Uzan et Bénédicte Leclercq, De l’importance d’être une constante, Dunod, 2005.

Patrick Peter et Jean-Philippe Uzan, Cosmologie primordiale, Belin, coll. « Échelles », 2005.

Jean-Philippe Uzan et Roland Lehoucq, Les constantes fondamentales, Belin, coll. « Sciences », 2005.

Jean-Philippe Uzan, La gravitation ou pourquoi tout tombe toujours, Éd. Le Pommier, coll. « Les minipommes » (no 10), 2005.

Big-Bang

Comprendre l’univers
depuis ici et maintenant

À mes maîtres, réels et imaginaires,

aux premiers rangs desquels,

Nathalie Deruelle, George Ellis,
Joseph Katz et Lev Kofman,

qui m’ont transmis
les premières clés de l’univers

et offert leur amitié.

Big-bang. Qui n’a jamais entendu ce mot ?

The big-bang theory ! Voilà bien une théorie physique connue de tous, des adultes aux adolescents fans de séries télévisées, une théorie qui prétend décrire l’univers. Avec E = mc², elle fait partie des icônes de la science, de ces incantations qui semblent receler un secret profond sur la réalité, et que personne ne comprend vraiment.

Mais le mot big-bang excite avant tout les fantasmes, les espoirs, les craintes – si ce n’est le dégoût. C’est qu’il chatouille les valeurs et les fondements. Au fond, l’ivresse des uns et la répugnance des autres en disent plus sur nous et nos attentes que sur l’univers. De façon tout à fait similaire, si les débats sur le caractère infini de l’espace avaient jadis agité les penseurs avec violence, c’est parce qu’ils questionnaient notre position, notre statut, dans l’univers. Plus que le vertige de l’infini, c’était la perte de notre position centrale qui était déstabilisante car comment penser l’espace sans centre, sans point de référence ? Un enfant perdu au cœur d’une forêt de galaxies, nous voilà dans ce cosmos que nous devons comprendre sans nous y perdre.

Voilà une première raison de faire le point sur cette théorie de l’univers, de clarifier les questions auxquelles elle prétend répondre, celles qu’elle laisse en suspens et celles qui restent en dehors de son champ explicatif. Que dit-elle sur le temps, l’espace et son contenu matériel ? À quel point ses affirmations sont-elles étayées par des observations ?

Paradoxalement, si vous faisiez une petite enquête dans les laboratoires de physique et les instituts d’astrophysique afin de savoir ce qu’est le big-bang, vous seriez surpris des réponses. Elles seraient bien sûr techniques, mais chaque chercheur vous en donnerait une version un peu différente.

Il n’y a là aucune incohérence. Le modèle du big-bang s’est construit dans le temps depuis une centaine d’années en incorporant peu à peu les avancées de la physique du XXe siècle. Trouvant son origine dans la relativité générale, il a successivement pris en compte toutes les découvertes sur la matière : la physique atomique, la physique nucléaire, la mécanique quantique. Chaque étape a modifié l’édifice théorique et expliqué de nouveaux phénomènes en tissant de nouveaux liens avec l’observation. En définitive, le big-bang n’est pas un modèle unique ; le terme se réfère à une famille de modèles.

Aujourd’hui – c’est probablement sans équivalent dans l’histoire – les questions cosmologiques font régulièrement les unes des médias. J’y vois deux raisons. D’une part, l’essor de l’astrophysique et les innombrables découvertes qui ont secoué à la fois notre sens commun et nos canons esthétiques (songez simplement aux images spectaculaires produites par les sondes, satellites et télescopes, ou l’annonce de l’existence d’objets comme les trous noirs). D’autre part, la vitalité des recherches : la théorie se perfectionne afin de toujours repousser les limites de ce qu’elle décrit, de résoudre certaines failles de sa construction, de clarifier son propos, et de percer certains mystères qu’elle soulève.

Certes, la multiplication de propositions théoriques souvent encore non abouties peut donner l’illusion d’une révolution permanente, le sentiment que notre copie serait complètement à revoir. Mais comment juger si un modèle alternatif est solide, s’il invite à une révision profonde ou s’il ne repose que sur une idée séduisante mais superficielle ? Le processus scientifique requiert une validation des idées avant toute communication vers le grand public. L’ébullition actuelle, loin du temps long de la recherche et de ses projets, risque de nous faire perdre notre latin. Chaque annonce médiatique semble diviser la communauté entre révolutionnaires et orthodoxes. Alors, prenons le temps de détailler ce que dit le big-bang, de mesurer la différence entre ce qui fait consensus et les nombreuses spéculations, de dépasser la réaction et le commentaire pour expliciter la construction cosmique et les réflexions qui la sous-tendent. Impossible in fine de juger de la nature des nouvelles affirmations sans la connaissance de ce cadre théorique – dans lequel ces affirmations sont par ailleurs souvent formulées – et des liens forts ou faibles entre ses diverses parties.

Comme je le décrirai, le modèle du big-bang est constitué de quatre couches théoriques empilées les unes sur les autres. Cette structure de la théorie reflète son histoire. J’aimerais vous présenter cette architecture en détaillant chacune de ces couches, avec ses hypothèses théoriques et ses piliers observationnels et expérimentaux. C’est donc l’architecture, les problèmes ouverts et les failles, les extrapolations et les mystères qui m’intéresseront. Chaque étape théorique ou relative à l’interprétation des observations est fondamentalement technique, et résulte d’une histoire impliquant de nombreux acteurs. Je ne rentrerai cependant pas dans tous ces détails afin de ne pas alourdir la présentation par de longs développements qui figurent dans des monographies11.

La compréhension de ce cadre, de son développement historique et de l’évolution de ses questions vous permettra de jauger la valeur d’affirmations telles que « l’univers était… » ou « l’univers a… », en vous sensibilisant aux hypothèses et aux observations qui permettent de les étayer mais aussi aux barrières conceptuelles qu’il a fallu surmonter. J’espère vous convaincre que beaucoup de ces affirmations ne prennent leur sens que dans un cadre théorique bien défini. Par exemple, on lit souvent que l’univers est vieux de 13,7 milliards d’années. Mais que signifie vraiment cette affirmation ? Que présuppose-t-elle ? Reprenons ces mots de Lavoisier (1743-1794) qui souligne déjà en 1789 la complémentarité des faits, des théories et du langage comme fondement de nos affirmations scientifiques :

« Toute science est nécessairement formée de trois choses : la série des faits qui constituent la science ; les idées qui les rappellent ; les mots qui les expriment. […] il en résulte qu’on ne peut perfectionner le langage sans perfectionner la science, ni la science sans le langage, et que quelque certains que fussent les faits, quelque justes que fussent les idées qu’ils auraient fait naître, ils ne transmettraient encore que des impressions fausses, si nous n’avions pas des expressions exactes pour les rendre22. »

Des propos plus que jamais pertinents. De nombreuses affirmations, que je qualifierais de « pop-science », trouvent leur origine dans un manque de clarté, si ce n’est une méconnaissance, dans la définition de certains concepts, dans le non-dit qui fait la richesse du savoir et de l’expérience incarnés. C’est aussi la difficulté de la diffusion de la connaissance scientifique, trop souvent piégée par le langage courant et les images intuitives qu’il nous impose.

Ce texte vous invite ainsi à comprendre les bases de notre modèle de l’univers (ou modèle cosmologique), une construction qui certes ne répond pas à toutes les questions, qui en pose même de nouvelles, mais qui est aujourd’hui en très bon accord avec les observations. Cela explique pourquoi il est considéré comme le modèle standard. Certaines de ses composantes, comme la matière noire ou l’inflation, ont un statut moins établi, voire controversé. En maîtrisant les hypothèses et les observations qui mènent à ses conclusions, vous pourrez vous forger un avis sur la crédibilité de ses affirmations, sur son domaine de validité, et identifier celles qui dépassent ce que le modèle cosmologique affirme.

Pour cela, les trois premiers chapitres s’attarderont à discuter la spécificité de la cosmologie en tant que science, ses héritages historiques et ses relations aux mythes. Les chapitres IV à VII décriront les grandes étapes de développement du modèle cosmologique, depuis la formulation de la relativité générale jusqu’à celle de l’inflation. À chacune d’elles est associé un jeu d’observations permettant de mesurer les paramètres inconnus et de juger de la crédibilité de la construction. Le chapitre VIII présentera plusieurs tests des hypothèses sur lesquelles repose le modèle standard, une nécessité motivée par la persistance de certaines incompatibilités entre les conclusions observationnelles et théoriques. Ces tests, développés depuis une vingtaine d’années, nous aideront à déterminer si la cosmologie actuelle, dite de précision, est aussi une cosmologie de justesse. Mettre à l’épreuve les hypothèses de la théorie est aussi une étape incontournable de la démarche scientifique. Pour finir, les chapitres IX et X se tourneront vers les futurs, théorique et observationnel, de la discipline en décrivant certaines spéculations attirantes, qui feront peut-être partie de la cosmologie de demain, ou pas !

I.

Cosmologies

Au cours des dernières décennies, notre compréhension de l’univers a connu un développement sans précédent, principalement grâce aux progrès conjoints de l’astronomie, de la physique des hautes énergies et de la physique théorique. Il est désormais possible d’établir un bilan de ses constituants, de décrire une partie de son histoire. Certaines grandes questions millénaires semblent trouver une formulation scientifique ; mieux, leur résolution serait à portée de main. Afin de clarifier la portée des conclusions que nous allons présenter, il nous faut prendre le temps de distinguer deux disciplines, la cosmologie et la Cosmologie.

La première (avec un petit c) est une discipline scientifique. Elle repose sur la physique théorique et l’astrophysique, afin de formuler une représentation mathématique de l’univers, susceptible d’être comparée à des observations. Les prédictions de ces modèles seront exclues ou vérifiées dans une démarche scientifique traditionnelle. Cette description est cependant limitée à notre univers proche : c’est ce que nous appelons l’univers observable, défini comme la partie de l’univers accessible à l’observation (voir le chapitre III).

La Cosmologie (avec un grand C) est une discipline plus ancienne qui vise à décrire la structure de l’univers dans son ensemble. Elle se pose des questions fondamentales sur la nature de l’espace et du temps dans sa globalité. L’univers est-il fini ou infini ? Est-il éternel ? Est-il unique ? D’où vient la matière ? Ces questions sont certes au cœur des recherches les plus ambitieuses mais les observations de notre univers proche limitent notre capacité d’en obtenir des réponses non ambiguës. En particulier, certaines de ces affirmations concernent des régions de l’univers qui ne peuvent pas être observées tandis que d’autres sont en dehors du champ explicatif du modèle cosmologique. Comme telle, la Cosmologie a un pied dans la métaphysique et la philosophie, parfois la mythologie.

*

La frontière entre ces deux disciplines est poreuse et mouvante. Considérons à titre d’exemple la question de savoir si l’univers est fini ou infini. Pendant plus de vingt siècles, cette question était de nature philosophique, et le lieu de débats enflammés. Dans ce contexte, le : « Et pourtant elle tourne » de Galilée prend sa dimension scandaleuse. Si la Terre tourne sur elle-même en 24 heures, alors on verra toujours les étoiles tourner autour de nous en 24 heures, et cela aussi loin qu’elles soient, car leur mouvement diurne est une illusion induite par la rotation de notre planète. En revanche, si c’est la voûte céleste qui tourne, alors les étoiles ne sauraient être à l’infini car il faudrait alors qu’elles se déplacent à une vitesse infinie, ce qui était considéré comme inconcevable. Avec la rotation de la Terre, un univers infini devenait possible.

La voûte céleste sur laquelle reposaient les étoiles fut, pendant des siècles, une sphère lisse nous protégeant de l’infini. Elle apportait protection et harmonie, et nous évitait de penser à ce qu’il y avait derrière. Elle était aussi une prison, oppressante et insupportable, pour d’autres comme Giordarno Bruno (1548-1600), « une caverne cosmique » à l’image de celle de Platon. Le vrai tour de force de Copernic (1473-1543) et de Galilée (1564-1642), « ce n’est pas d’avoir mis la Terre en marche, c’est d’avoir arrêté la voûte céleste11 », laissant ainsi rentrer l’infini dans notre monde.

Alors que les débats autour du De Revolutionibus (1543) de Copernic restent principalement mathématiques, Giordano Bruno est probablement le premier à prétendre que libérer la Terre de son immobilité impose de révolutionner notre représentation de l’univers. Une Terre mobile abolit en effet la distinction entre le monde sublunaire (imparfait) et céleste (parfait) d’Aristote et appelle, selon Bruno, à accepter un univers unique, infini et peuplé de systèmes planétaires. Ce dernier va au-delà de Copernic, qui modifie l’univers local (cosmologie), en appelant à une explosion de la voûte céleste pour changer la représentation globale de l’univers (Cosmologie). Bruno déclare ainsi : « L’univers n’est que centre22. » Si la Terre n’est pas au centre, alors l’homme ne l’est plus non plus, ce qui détruit toute la hiérarchie géocentrique. Quelle est alors la place de l’homme ? Bruno répond que « son centre est partout », autrement dit le centre de l’univers est l’individu qui observe l’univers, une vision très moderne, comme nous le verrons plus loin.

Mais pouvait-on prouver que l’univers est fini ? Il faudra attendre la fin du XXe siècle pour tester cette hypothèse par l’observation et tenter de déterminer la taille et la forme de l’univers. Cela devenait alors une question de cosmologie. En deux décennies, il a été démontré que les observations imposent à l’univers d’être plus grand que l’univers observable (Figure I). Mieux – ou pire, selon votre état d’esprit, il est impossible de distinguer par l’observation un univers très grand d’un univers infini. Il est d’ailleurs tout aussi impossible de prouver par l’observation que l’univers est infini car nous n’en observons qu’une partie finie. La question retournait à la Cosmologie. On peut bien sûr émettre des arguments théoriques ou philosophiques sur la finitude ou l’infinitude de l’univers, défendre qu’une de ces deux hypothèses est plus probable que l’autre, dans un certain cadre. Mais on ne peut plus tester cette propriété par l’observation.

Fig. I. La topologie, une branche des mathématiques, permet de concevoir des espaces finis et sans bord. (a) Un tel univers peut être représenté par une « boîte » – un polyèdre – dont les faces sont identifiées par paires. Cette boîte n’a alors plus de bord : si on essaie de sortir par une face on réapparaît par la face opposée. Il n’existe donc pas d’espace en dehors de la boîte. Elle est l’univers tout entier. Supposons que ce « petit » univers ne contient qu’une galaxie. (b) La lumière émise par cette galaxie peut faire le tour de l’univers et donner lieu à un jeu de miroirs si bien que la galaxie est observée plusieurs fois dans le ciel. (c) Le ciel observé par un habitant de cette unique galaxie est alors constellé d’images fantômes donnant l’illusion d’un univers infini. Si l’univers contient des millions de galaxies, il devient difficile de mettre en évidence cette propriété. Il a cependant été possible de caractériser l’empreinte de la finitude de l’univers sur la distribution des galaxies et celle des anisotropies de température du fond diffus cosmologique (voir chapitre VI pour sa description) et ainsi de prouver que l’hypothèse d’un univers dont la taille est plus petite que celle de l’univers observable est exclue. [D’après J.-P. Uzan, Variations sur un même ciel, Éd. la ville brûle, 2012].

*

On le mesure bien sur cet exemple, la cosmologie invite à un vertige métaphysique. La Cosmologie repose cependant sur la cosmologie, si bien que cette dernière a la primauté et contraint la Cosmologie. Toute affirmation sur l’univers se doit d’être en accord avec ce que nous observons. On ne peut donc pas inventer n’importe quelle histoire ou structure globale. Même si votre vision globale de l’univers repose sur des principes profonds ou des croyances supérieures, elle se doit d’être en accord avec les propriétés de l’univers local. Ainsi, tout penseur doit fonder sa réflexion d’abord sur les résultats validés et non sur des spéculations, hormis à des fins exploratoires. On comprend aisément le risque de réaction en chaîne et ses effets si on ne distingue pas clairement cosmologie et Cosmologie.

Les c/Cosmologies nous demandent d’observer localement et de penser globalement. En particulier, nous devons évaluer à quel point notre petit coin d’univers est représentatif de l’univers dans son ensemble. Les échanges entre les deux disciplines sont sains et fructueux. Et les extrapolations n’ont rien de vain. Au contraire, elles permettent d’explorer les univers possibles, d’ouvrir de nouvelles voies en physique et éventuellement de construire des méthodes pour les étudier, mais aussi d’évaluer les spécificités de notre univers local dans un ensemble d’univers imaginables.

*

Un chercheur a le devoir de toujours spécifier s’il parle de cosmologie ou de Cosmologie. Dans le premier cas, il représente une communauté et expose des résultats débattus et publiés, qui font consensus et qui sont publics et reproductibles par tout un chacun suivant la même démarche. Dans le second cas, il exprime ses croyances, ses intuitions ou ses paris sur certaines extrapolations ou sur certains modèles d’univers, reposant parfois sur des résultats scientifiques mais non testés et établis ou encore en construction. Rien d’étonnant que ces affirmations portent à la controverse, apparaissent, disparaissent, se contredisent. Cette dynamique les rend médiatiquement séduisantes. Certaines deviendront de la cosmologie, la grande majorité flottera à jamais, sans vraiment se muer en prédictions sur l’univers. L’exploration débridée fait aussi partie de la recherche ! Il s’agit d’une dynamique normale où l’intuition oriente les choix de recherche de chacun en fonction de sa lecture de l’état actuel des connaissances.

Si ces deux discours sont nécessaires, ne pas les distinguer est en revanche source d’une grave confusion concernant la valeur du savoir scientifique. C’est alors ouvrir la porte à un relativisme susceptible de se répandre et de s’amplifier. En se plaçant sur le plan philosophique, en s’exprimant sur des croyances extérieures à son champ ou en laissant croire qu’elle apporte des réponses à des questions existentielles, une discipline s’expose, par un subtil glissement, à voir des résultats qu’elle a établis attaqués, avec le risque qu’ils soient présentés comme des opinions et non comme des résultats scientifiques.

Tout récit spéculatif pourrait alors être raconté au même titre qu’un récit scientifique, effaçant ainsi les spécificités de ce dernier (je ne rentrerai pas ici dans le débat difficile et légitime visant à définir ce qu’est un résultat scientifique ; nous y serons confrontés à la fin de ce livre). Le succès médiatique d’idées alternatives non fondées prouve que nous sommes souvent plus en quête de sens que de compréhension ; que nous rêvons de renversements romanesques et de révolutions des cadres établis. Parmi les stratégies à l’œuvre dans ces programmes, il faut citer celle tentant de confondre scepticisme et négationnisme. Certes, on se doit de douter de tout savoir établi, mais cela ne doit pas être confondu avec le fait de nier les évidences expérimentales et théoriques. Oublier cette distinction capitale et entretenir la confusion est sans doute une façon de briller avec élégance, mais l’attitude est dangereuse et guère honnête intellectuellement.

Vous l’avez certainement constaté, ces idées spéculatives, présentées comme secouant une pensée unique, fleurissent et donnent l’impression qu’un débat existe. Ne vous y trompez pas, c’est une illusion car ce n’est ni le lieu ni la nature du vrai débat. Bien sûr, ces dernières sont souvent présentées comme des explications simples, voire intuitives, et ainsi bien plus percutantes qu’une construction théorique complexe et difficile à expliquer. Curieusement, leur réfutation reste toujours invisible. Il faudrait prendre le temps de faire l’histoire de ces théories ou de ces découvertes qui ont bousculé ou prétendument invalidé le modèle cosmologique standard ou encore montré (une fois de plus) qu’« Einstein avait tort ». On en compterait des dizaines, qui ont toutes disparu en silence dans les limbes. Pour autant, cela ne prouve pas que nos hypothèses sont justes (ce qui est d’ailleurs impossible à prouver puisque chaque succès ne fait seulement que leur donner un peu plus de crédibilité), mais seulement qu’elles sont robustes et qu’il est très difficile de construire des explications alternatives viables. Les considérer comme telles demande cependant de maîtriser l’ensemble du cadre théorique et observationnel, ainsi qu’un travail fastidieux pour repenser le modèle dans son ensemble – et non en ne se concentrant que sur un seul de ses aspects.

De fait, alors que la cosmologie est aujourd’hui une science de précision et nous a fait découvrir des propriétés surprenantes de notre univers, une partie de la cosmologie théorique développe des modèles de plus en plus hypothétiques. Au-delà de l’exploration saine des théories – qui a toujours existé – une dérive est lentement apparue : prétendre que la cosmologie pouvait répondre à des questions philosophiques millénaires. Il est donc important de détailler ce qui est du ressort de la cosmologie et ce qui ne l’est pas. Le modèle cosmologique sortira renforcé en explicitant ce qu’il dit vraiment de notre univers. L’exemple le plus médiatique est celui du multivers, ces univers multiples. Cette idée repose sur une série d’extrapolations dont les premiers pas sont ancrés dans de la physique établie, puis largement hypothétique. Le résultat final est séduisant mais ne peut en rien être considéré aujourd’hui comme une théorie scientifique. Les arguments en faveur d’un tel multivers et ceux contre sont souvent définitifs et virulents. Il n’en reste pas moins que l’idée n’offre toujours pas à l’expérience la liberté de trancher.

Nous discuterons en détail les motivations et arguments en faveur du multivers, ainsi que les critiques qui pèsent sur lui au chapitre IX. Cela nous demandera de clarifier ce que nous attendons d’une théorie scientifique, autant au niveau explicatif que dans sa capacité à formuler des prédictions sur notre monde. Si en définitive l’idée du multivers est attractive, c’est d’abord parce qu’elle laisse entrevoir des réponses qui dépassent peut-être celles que l’on attend d’une théorie scientifique. Certes, explorer les théories dans leurs limites ultimes fait partie de la recherche. Tout cosmologiste a dans ses tiroirs des dizaines de modèles bancals, exclus et avortés. Il les publie rarement mais ils lui sont utiles pour savoir ce qui est envisageable dans divers cadres théoriques et pour développer son intuition. C’est un savoir incarné, une expérience, qui se construit au cours d’une carrière et qui reste souvent difficile à transmettre.

Il ne faut juste pas présenter ces constructions sur le même plan que celles des résultats établis. Certes, ces nouvelles idées semblent parfois bousculer profondément notre conception de la réalité, peuvent reposer sur des structures élégantes et avoir de belles propriétés. Voilà qui les rend séduisantes ! Mais sans fait et sans prédiction, elles tiennent davantage de la simple construction mathématique, du conte ou de la croyance. Tout juste est-il permis d’espérer qu’elles se transforment un jour en théorie scientifique et ouvrent de nouvelles voies de recherche.

La nature des savoirs dans les deux approches est donc bien différente. Dans la première, il s’agit d’établir des prédictions, d’exclure des modèles et de mesurer la valeur de paramètres. La seconde construit des histoires possibles mais sur lesquelles on n’a que peu de prise : elles vont de constructions mathématiquement cohérentes et élégantes à des divagations quasi-mythologiques. En somme, la première discipline parle de l’univers tel qu’il est – ou plutôt tel que nous pensons qu’il est – alors que la seconde explore les multiples façons dont il pourrait être.

Il reste qu’affirmer que cela offre une bonne représentation de l’univers est dangereux. On pourrait alors se permettre d’oublier les spécificités du récit scientifique dans d’autres domaines, avec des conséquences bien plus délétères pour la société. En revanche, si le modèle, ses conclusions et ses limites sont clairs, on pourra porter sans risque différents regards sur l’univers, avec les yeux de l’art, de la poésie, et le laisser dialoguer avec la philosophie ou toute croyance. Nous gagnerons en liberté, sans risque de tomber dans le relativisme.

*

La cosmologie est devenue un domaine scientifique à part entière au XXe siècle. Mais l’humanité n’a pas attendu la science pour faire de la cosmologie, pour parler de l’univers dans lequel elle vit. La cosmologie est ainsi un champ qui intéresse largement car elle dépasse le simple cadre de la science. Elle parle aussi de nous, de nous dans l’univers. Elle nous renvoie à la question de nos origines. Elle est source d’émotion face à ce ciel dont elle révèle les mystères, face à ce que nous arrivons à saisir. « Quand les gens arrivent à comprendre à quel point l’univers est grand et la vie humaine courte, les cœurs appellent. Parfois c’est un cri de joie […] mais pour la plupart d’entre nous c’est un cri de terreur. Nos cœurs appellent. Peut-être Dieu ou peut-être juste pour briser le silence33. » C’est l’existence de cette émotion, de cette limite et de cette porosité avec la philosophie, de nos questions existentielles et de diverses croyances qui nous demande de prendre des précautions sur nos affirmations.

II.

Héritages de l’histoire

La Cosmologie est aussi vieille que le regard que l’humanité pose sur le monde qui l’entoure. La cosmologie est beaucoup plus récente. Toutes deux proposent une représentation de l’univers fondée sur des observations. C’est pourquoi je voudrais d’abord revenir sur notre relation au ciel. Tel un fil rouge dans l’histoire de l’humanité, elle se manifeste à travers le langage et les mythes.

*

Les yeux suffisent en effet pour commencer à scruter et questionner le ciel, et cela de tout temps. Sans instrument, il est aisé d’observer le Soleil et la Lune et ces petits points lumineux dont la plupart sont des étoiles et, à quelques exceptions, des planètes.

On retrouve des traces d’observations du ciel sur un os gravé découvert à l’abri Blanchard en Dordogne. Cet os est daté d’environ 34 000 ans. Les archéologues interprètent ses gravures comme les phases de la Lune pendant 69 jours.

En observant le ciel, on découvre l’existence de régularités, comme la course du Soleil ou les phases de la Lune. Cela donna une prise sur le temps et permit l’invention des calendriers. Pendant des millénaires, l’astronomie se développa avec peu d’instruments de mesure. L’univers auquel on avait accès correspondait à ce que nous appelons aujourd’hui le Système solaire.

L’histoire de l’astronomie est jalonnée de grandes étapes : l’invention de la lunette puis du télescope, la possibilité d’observer dans des couleurs inaccessibles à notre œil, l’utilisation des satellites, le développement de la spectroscopie, l’utilisation d’autres signaux que la lumière, comme les ondes gravitationnelles et les neutrinos, etc. La plupart de ces inventions sont très récentes. Elles ont systématiquement révélé un monde plus grand, plus complexe et riche et surtout plus surprenant que ce que nous pensions.

*

Il est important de garder quelques repères en tête afin de bien comprendre la modernité de notre représentation de l’univers. Comme ensemble des choses qui existent, l’univers est un concept englobant qui dépend fortement de ce que nous sommes capables d’observer mais aussi de concevoir. Ce que nous appelons « univers » a ainsi évolué au gré des progrès des techniques, de la physique et de la pensée.

Depuis l’Antiquité, l’univers correspondait à ce que nous appellerions aujourd’hui le Système solaire dont on donna d’abord une représentation géocentrique (la Terre occupait le centre du cosmos) puis héliocentrique (le Soleil au centre du cosmos) sous l’impulsion de Copernic en 1543. L’univers était supposé fini et contenu à l’intérieur de la voûte céleste. Pendant des siècles, il était impossible de déterminer la distance des étoiles. Cette voûte céleste matérialisait ainsi le bord du monde et on se refusait de penser ce qui pouvait exister au-delà.

Galilée argumenta dans le Messager céleste (1610), premier traité décrivant des observations à la lunette astronomique, que la Voie lactée était constituée d’étoiles identiques au Soleil. La notion d’univers évolua ainsi doucement pour décrire toute notre Galaxie, dont William Herschel (1738-1822) tenta d’établir la première carte vers 1785, en supposant que notre Système solaire en occupait le centre. Ce n’est qu’en 1838 que Friedrich Bessel (1784-1846) mesura enfin la distance à une étoile : l’étoile no 61 de la constellation du Cygne.

Bien entendu, on spécula que l’univers était plus grand que notre Galaxie. Par exemple, Emmanuel Kant (1724-1804) imagina en 1755 que les nébuleuses étaient d’autres galaxies en dehors de la Voie lactée. Cette hypothèse, alors de nature strictement philosophique, ne fut prouvée que vers 1924 par Edwin Hubble (1889-1953). En exploitant les travaux de l’astronome américaine Henrietta Swan Leavitt (1868-1921) sur les propriétés d’étoiles variables appelées céphéides, il parvint à mesurer la distance des galaxies qui les contiennent. Aujourd’hui, les grands catalogues comptent des millions de galaxies ; nous mesurons leur forme, leur couleur et d’autres de leurs propriétés physiques. Mais il ne faut pas oublier qu’il y a un siècle à peine, nous n’en savions rien.

Voilà qui illustre la première difficulté de la cosmologie : définir avec précision son sujet d’étude, c’est-à-dire ce que recouvre le terme univers. La science se caractérise par une humilité devant la nature. C’est avant tout une méthodologie pour la questionner. Elle suppose l’existence d’une réalité indépendante de nous et de nos tentatives pour la comprendre11. Cela implique d’accepter sans a priori ce qu’elle dévoile pudiquement et ne pas lui imposer nos fantasmes inspirés par le bon sens ou des croyances. Comme le souligne Claude Bernard (1813-1878) :

« L’expérimentateur pose des questions à la nature ; mais dès qu’elle parle, il doit se taire ; il doit constater ce qu’elle répond, l’écouter jusqu’au bout, et, dans tous les cas, se soumettre à ses décisions. […] Il ne doit jamais répondre pour elle ni écouter incomplètement ses réponses en ne prenant dans l’expérience que la partie des résultats qui favorisent ou confirment l’hypothèse22. »

Et, comme le précise la philosophe Donna Haraway (1944-),

« Cette séparation du savoir expert de la simple opinion, cette construction d’un savoir légitime faite sans appel à une autorité transcendante ou une certitude abstraite d’une autre sorte, est l’un des gestes fondateurs de ce que nous appelons la modernité. C’est le geste qui fonde la séparation entre le technique et le politique33. »

Nos constructions sont par définition imparfaites et limitées. Nous devons en changer de temps à autre pour les faire évoluer, dès lors que de nouveaux phénomènes sont découverts ou des incohérences entre les prédictions de deux théories apparaissent. Il s’agit d’une des plus grandes qualités de la science : le refus du dogmatisme et la primauté de la parole de la nature. Cette démarche et l’invention de nouveaux outils de questionnement de la nature (microscope, télescope, etc.) font entrer de nouveaux phénomènes dans notre réalité. La nature de certains objets que l’on pensait connaître est prouvée être très différente de l’image manifeste que nous en avions. La science bouscule notre sens commun et la vision du monde qui en découle.

Quel que soit notre point de départ, la construction finale doit nécessairement s’affranchir de notre source d’inspiration et être ainsi reproductible par quiconque adopte la même démarche, théorique ou expérimentale. Pour devenir digne de l’intérêt des scientifiques, une idée doit être formulée de façon à ce que d’autres aient prise sur elle et puissent se l’approprier et la soumettre à la question. C’est pourquoi la science ne décrète pas a priori ce qui existe ou non. Elle étudie tous les phénomènes susceptibles d’être questionnés.

Dans ce sens, ces phénomènes existent car ils répondent. Les physiciens « voient » s’ils peuvent bousculer un système. Voir, c’est interagir, au sens large (pas nécessairement avec de la lumière). Ainsi, tout phénomène avec lequel il est impossible d’interagir reste de fait en dehors du champ de la science. Elle ne peut pas, et ne doit d’ailleurs pas, prouver qu’il n’existe pas. Des phénomènes nouveaux entrent régulièrement dans le champ scientifique, simplement parce que l’on a réussi à mettre en évidence la façon de les reproduire et d’interagir avec eux, et ainsi de les caractériser, définir et partager. C’est à mon sens une dimension fabuleuse de la science : rendre visible l’invisible, étendre le monde dans lequel nous vivons, révéler de nouveaux mystères souvent vertigineux44. Elle n’entrave pas les croyances individuelles mais affirme ce que nous pouvons collectivement étudier.

La science repose ainsi sur une démarche matérialiste visant à révéler ses lois et ses propriétés. Un point particulier est à souligner : elle nous dit ce qui existe, mais pas pourquoi ces objets existent ; encore moins pourquoi d’autres n’existent pas. Ses lois concernent les propriétés et les relations entre des objets que l’on peut caractériser expérimentalement et classifier. Ces dernières peuvent évidemment changer si cela est nécessaire, la description des objets et les catégories évoluent et peuvent être revues si de nouveaux phénomènes le nécessitent. Le travail du chercheur vise à déterminer ce qui, dans un cadre bien défini, est possible, et ce qui ne l’est pas, à relier un état passé à un état futur, à faire le pont entre des concepts différents, à tenter d’unifier et de simplifier le discours sur le monde. Mais ces lois sont incapables de justifier l’existence des objets sur lesquels elles portent.

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Si observer est la première étape, il est nécessaire d’aller au-delà pour donner un sens au monde. Sinon, on risque d’en rester au niveau de la description, alors même que la science cherche à déterminer les dénominateurs communs de phénomènes en apparence divers et à établir des lois qui les gouvernent. Interpréter les observations nécessite de définir un cadre théorique.

Chaque civilisation a développé avec créativité sa mythologie. La cosmographie et la cosmogonie, qui décrivent respectivement la géographie et l’origine de l’univers, font partie intégrante de ces mythologies. Elles vont en général de pair avec une anthropologie. Elles règlent nos relations à l’univers, à l’autre et aux dieux. Elles nous définissent en tant que culture. Le lien de parenté de l’Homme et de l’Univers est profond ; connaître l’un aide à comprendre l’autre.

La culture occidentale reste profondément marquée par la Grèce antique. Dans sa cosmogonie, Hésiode nous propose, au VIIIe siècle avant notre ère, un monde clos et fini centré sur la Grèce et entouré par Ôkeanós « aux tourbillons profonds » qui nous sépare du bord du monde (Figure II). L’univers a un centre : Delphes. Même si d’apparence simpliste aujourd’hui, cette représentation traduit ce qui était connu à l’époque. La pertinence d’une représentation doit s’évaluer dans le contexte de ce que l’on pouvait observer et concevoir à l’époque où elle a été formulée.

Fig. II. Le cosmos selon Hésiode. Le monde est clos et possède un bord. Il décrit principalement les terres explorées et connues. Il a un centre, ici supposé être à Delphes. Toutes les civilisations ont construit des cosmologies. Souvent accompagnées de cosmogonies, elles fournissaient le cadre des géographies, physique et mythologique. [D’après G. Duprat, Mondes. Mythes et images de l’Univers, Seuil, 2016].

Ces mythes et légendes sont encore vivants dans notre vocabulaire. Cosmos est tout d’abord l’ordre qui s’oppose au chaos. Il désigne aussi les bijoux que portaient les femmes grecques, une acception dont dérive le mot cosmétique, « l’art de la parure ». Selon la légende, le mot cosmos aurait été utilisé par Pythagore (v. –580 ; v. –495) pour nommer la voûte céleste, d’où son sens dérivé d’espace, comme dans le mot « cosmonaute ». Pythagore soulignait ainsi l’émotion qui nous envahit en regardant le ciel étoilé. Il rappelle ce sentiment de mystère que l’étude de la nature fait naître en nous. Cette émotion est primordiale.

Le ciel est un tableau sur lequel les dieux, dans un geste de catastérisation, fixent le souvenir des héros et de leur légende. Notre Voie lactée ne serait ainsi que la trace de lait qui jaillit lorsque Héra repoussa Hercule qui tétait son sein. Lait divin, Galak, Galaxie. Les constellations nous renvoient aux mythes antiques dans l’hémisphère Nord (Orion et le scorpion Cassiopée, etc.) et à des mythes plus modernes dans l’hémisphère Sud (la boussole, le burin, le compas, le microscope, le télescope, etc.). Ces étoiles sont des guides pour les marins et les astronomes, les navigateurs des mers et des cieux.

Cette relation au ciel est millénaire. Certes, le ciel du XXe siècle s’efface peu à peu sous les lumières de nos villes et nous perdons lentement notre relation intime au ciel. Mais nous serons toujours, au fond de nous-mêmes, connectés aux étoiles. J’aime imaginer, de façon très romantique, les soirées de nos ancêtres – des soirées sans écran, sous un ciel non pollué. Ils partageaient probablement leurs repas sous la voûte céleste en se racontant des histoires, histoires qui se transmettaient de génération en génération sous le même ciel.

Il nous serait probablement impossible de vivre sans Cosmologie, sans avoir assigné un ordre, réel ou imaginaire, au monde, sans cette connexion au ciel et le sentiment qu’il fait naître en nous. « Les univers, d’où sort l’immense essaim des rêves55 », écrivait Victor Hugo (1802-1885).

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La cosmologie est probablement la discipline scientifique qui invite le plus directement à la métaphysique et à la philosophie, qui suscite inévitablement une réflexion sur notre position dans l’univers, sur la nature de cet univers, sur son origine et son ontologie. Elle offre le cadre pour penser et inclure de nombreuses questions astrophysiques.

Bien sûr, les méthodes et le langage ont changé. Mais les questions ont été posées depuis l’Antiquité. Si j’ai insisté sur la différence entre cosmologie et Cosmologie, c’est qu’il est important de bien jauger les valeurs des faits établis dans le cadre d’une démarche scientifique afin que le dialogue avec la philosophie ou la théologie ne soit pas biaisé.

« Je crois personnellement qu’il y a au moins un problème philosophique qui intéresse tous les hommes qui pensent. C’est le problème de la cosmologie : le problème de comprendre le monde, nous-mêmes et notre connaissance en tant qu’elle fait partie du monde. Je crois que toute science est cosmologie et, pour moi, l’intérêt de la philosophie, aussi bien que celui de la science, réside uniquement dans leurs contributions à l’étude du monde. Pour moi en tout cas la philosophie comme la science perdraient tout leur attrait si elles devaient renoncer à un effort dans ce sens66. »