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Le principe anthropique

L'évolution cosmique (I)

S'il n'est pas de bon ton de mêler la philosophie à la science, à quelques reprises dans les pages de ce site nous avons dû faire référence à des principes irrationnels, et disons-le carrément "métaphysiques" pour expliquer certains états de la matière, en particulier en physique quantique.

Ces rapprochements sont inévitables et on peut démontrer qu'ils peuvent être scientifiquement valables, même si paradoxalement tout scientifique préfère éviter le sujet lorsqu'il parle de science.

L'idée du "principe anthropique" est de prétendre que les événements n'arrivent pas de façon aléatoire. Ainsi, des Egyptiens à Newton, ils reflétaient un certain ordre sous-jacent de nature spirituelle, dans lequel la fatalité occupait une certaine place.

Le principe du Big Bang est un concept convergent de notre société, repris en d'autres termes dans plusieurs religions (ou philosophies de même inspiration) dont la judéo-chrétienne, l'hindouiste et la taoïste. Etant donné que la théorie du Big Bang résiste aux assauts des plus sceptiques, les lois naturelles semblent immuables, distinguant un état initial à partir duquel l'Univers pris forme pour donner la vie.

Mêlée de théologie et de philosophie, la science a défini ce qu'on appelle un "principe anthropique", qui considère la place morale de l'Homme dans ce grand ensemble que forme l'Univers. Les philosophes ainsi que les scientifiques ont essayé depuis longtemps d'écarter cette inspiration divine de l'évolution, mais en vain. Certains ne virent qu'un accident de la nature mais ce serait nier notre propre évolution.

Cette conception, énoncée par le philosophe grec Anaximandre (fl. 610 avant notre ère) se divise en deux courants :

- Le principe anthropique fort

- le principe anthropique faible[1].

Le principe anthropique faible[2] invoqué dans ce texte est apprécié des philosophes mais laisse tout de même perplexe les scientifiques; c'est toutefois la seule explication qui pousse les chercheurs à poursuivre leurs recherches. John Barrow, Frank Tipler et leurs collègues considèrent que l'évolution de l'Univers a débuté dans l'indétermination et le hasard "cumulatif", cherchant une orientation à travers le temps. Un concours judicieux de circonstances, une structure atomique prête à subir des changements plus complexes forma les molécules, les étoiles. Rassemblées en galaxies, elles ont édifié soleils et planètes pour aboutir à l'apparition de la vie et à l'émergence d'observateurs. Les conditions qui préludent à la vie semblent limitées à notre région de l'Univers, même si l'on admet a priori l'universalité des lois de la nature : c'est le principe copernicien[3]. Sur cette évolution il ne peut y avoir de divergences, sauf au sein de quelques groupes réfractaires.

Arrêt sur image : les grandes étapes de l'évolution de l'Univers. Document T.Lombry.

Prétendre le contraire serait la négation du discours scientifique. Carl Sagan et Hubert Reeves notamment ont très clairement démontré les différentes étapes de ce processus plus communément appelé "l'évolution cosmique".

Pour Heinz Pagels[4] cependant le principe anthropique n'a rien d'étonnant car il n'a aucune valeur scientifique. Il considère en effet que nous fondons notre raisonnement sur un concept anthropique qui n'a aucune valeur aux yeux d'une civilisation extraterrestre. En fait Pagels interprète le principe anthropique comme étant à l’effigie de l'humanité. Or dans sa version faible le principe anthropique ne fait que préciser les conditions d'émergence d'observateurs.

Malheureusement, ce principe n'explique pas la raison d'être des constantes fondamentales de la physique. C'est la raison pour laquelle en 1974 Brandon Carter invoqua un principe anthropique fort[5]. Celui-ci suppose qu'il peut exister d'autres Univers, à moins que certaines régions de notre Univers aient leurs propres lois physiques, issues d'une époque primordiale où chaque "domaine" de l'Univers avait le choix de sa configuration. Mais dans tous les cas ces environnements sont hostiles et n'ont pas ce caractère particulier qui permis le développement de la vie. Si nous existons et nous posons cette question, c'est parce que toutes les lois de la physique sont les mêmes partout, que les conditions physiques ou chimiques qui régissent les lois n'accordent que peu d'arbitraires. Finalement l'aboutissement de la vie fut déterminé dans une petite fourchette de variations, rendant les lois de la nature immuables, ne tolérant pas le hasard pour aboutir à l'Homme. Ainsi, l'Univers ne permettrait le développement de la vie que sous l'inspiration d'un Créateur, seul habilité à choisir les lois qui nous gouvernent.

Les coïncidences des grands nombres

Aimez-vous les chiffres ? Sans doute un peu si vous m’avez suivi jusqu’ici. En 1920, Eddington[6] avait déjà soulevé l'étrange coïncidence des constantes fondamentales de la physique avec le cycle de la vie. Il mis en évidence un étrange rapport entre les différentes constantes universelles, dont les expressions sont reprises dans le tableau ci-dessous.

La troisième expression, appelée le "Nombre de Eddington" représente le rapport entre la masse de l'Univers actuel et la masse du proton. Eddington fit remarquer que les deux premières expressions (1) et (2) étaient approximativement égales entre elles et que la troisième (3) valait à peu de chose près le carré de l'expression (1) ou (2). De prime abord ces relations[7] semblent artificielles, mais il ne s'agit pas simplement de juxtaposer des constantes fondamentales, ces trois expressions traduisent l'évolution de l'Univers. La raison pour laquelle ces différentes grandeurs coïncident mérite bien quelques instants de réflexion.

Les grands nombres en cosmologie

Intensité de l'interaction gravitationnelle

(1)

Rapport du diamètre de l'univers sur le diamètre du proton

(2)

Avec c la vitesse de la lumière, G la constante de la gravitation, le quantum d'action (la constante de Planck h/2π) et Ho la constante de Hubble

Nombre de Eddington

(3)

Avec Mu,o la masse de l'Univers, mp la masse du proton et ρ la densité de l'Univers, l'indice o faisant référence à l'époque actuelle.

En 1937, le physicien Paul Dirac[8] se demandait quel était le rapport entre la force gravitationnelle et la force électrostatique - dite électrique - ? Nous savons que la force gravitationnelle qui soude tout l'Univers est d'une intensité de loin inférieur à la force électrique qui maintient les atomes en molécules. Ce rapport est de l'ordre de 4.17 x 1042 la force électrique est 4 millions de milliards de milliards de milliards de milliards de fois plus forte que la gravitation !

Au cours d'une conférence donnée dans les années 1970, Dirac se demandait comment pouvait-on expliquer un si grand nombre à 40 chiffres... " Et bien dit-il, vous pouvez essayer de le relier à un autre grand nombre sans dimension. L'âge de l'univers par exemple". Exprimé en unités atomiques, on découvre avec surprise que ce nombre vaut 1039.

Dirac découvrit d'autres coïncidences : le rapport entre la masse de matière contenue dans l'univers visible et celle du nucléon correspond au nombre de particules contenue dans l'univers, soit 1078, le carré de 1039 ! Le rapport entre le diamètre de l'univers observable et le diamètre du proton, vaut lui aussi environ 1040 (équation 2), curieuses coïncidences ! Les plus sceptiques mettent ces rapports dans le même panier que le Nombre d'or ou les paramètres caractéristiques des pyramides.

Pour Dirac, il ne s'agit pas de coïncidence. Leur intensité respective semblerait varier, directement ou inversement, en fonction de l'âge de l'univers. Mais sa théorie soulève une difficulté inattendue. Si la constante de la gravitation G vaut disons 1 aujourd'hui (soit 6.67x10-11 m3/kg/sec2, puisque l'Univers n'a pas toujours eu les mêmes dimensions et fut autrefois aussi petit qu'un proton, le rapport entre nos deux grandeurs a pu être égal à l'unité dans le passé. Mais cela signifie que la constante de la gravitation changerait au cours du temps. En clair, l'attraction entre les corps aurait été différente hier qu'elle ne l'est aujourd'hui. Pourtant, il semble que depuis l'Antiquité les planètes ont toujours gravité autour du Soleil comme elles le font aujourd'hui. Bien sûr, rien ne prouve qu'il en est de même à grande échelle.

Pour être plus précis, il faut mesurer la constante de la gravitation et cela a pu être fait depuis plus d'un siècle. Toutes les expériences réalisées avec des pendules de torsion[9] indiquent que les résultats les plus précis s'excluent mutuellement (6.670, 6.672, 6.674, etc).

De nouvelles mesures effectuées lors des missions spatiales et sur un pulsar binaire[10] confirment également que G ne varie pas d'un facteur supérieur à 2x10-12 par an. Les seules variations constatées dépendent, parmi d'autres, de la température, de l'époque, de la magnétisation, de l'état de radioactivité et de la charge électrique de la matière soumise au test.

Cette conclusion verse de l'eau au moulin des sceptiques mais elle n'explique pas l'équivalence des deux rapports. Pourquoi 1040, pourquoi pas un autre nombre ? Il semble de fait que la seule théorie pouvant expliquer ces grands nombres soit un modèle dans lequel ces constantes peuvent varier. Cela signifierait qu'elles seraient liées à l'évolution dynamique de l'univers et seraient donc des constantes fondamentales irréductibles. Le vrai visage de la nature ne se révèle pas seulement dans les mathématiques. Peut-être un philosophe pourra-t-il y répondre.

En attendant sa réponse, Robert Dicke[11] explique ces coïncidences d'un point de vue anthropique en décomposant les deux premières relations. L'âge de l'Univers vaut approximativement l'inverse de la constante de Hubble. Puisque la durée de vie des étoiles doit être compatible avec l'apparition des molécules organiques, il découle nécessairement une coïncidence entre les expressions (1) et (2).

Reprenant l'idée anthropique de Dicke, Brandon Carter[12] résolu la troisième expression en stipulant que "La présence d'observateurs dans l'Univers impose des contraintes, non seulement sur l'âge de l'Univers à partir duquel ces observateurs peuvent apparaître, mais aussi sur l'ensemble de ses propriétés et des paramètres fondamentaux de la physique qui le caractérise".

Freeman Dyson[13] appuya sa démarche, ayant le sentiment que "tout semble s'être passé comme si l'Univers devait, en quelque sorte, savoir que nous avions à apparaître". Néanmoins, ainsi qu'il le précisa au cours d'une interview, il déteste le substantif "anthropique", trop centré sur notre petite personne.

Le principe anthropique fort expliquerait également la non découverte de la désintégration du proton. S'il est difficile d'observer cet  événement dans la nature, cela peut provenir du fait que notre propre existence est liée au phénomène inverse : créer la matière avec la production de proton à une époque où l'espace contenait un nombre indistinct de quarks et antiquarks, base de l'édifice baryonique. Mais qu'est ce qui a conduit l'Univers à privilégier la matière plutôt que l'antimatière ? Nous avons vu en physique quantique comment Cronin, Fitch et Sakharov démontrèrent que les interactions fortes violaient la symétrie C et CP, le méson K° se désintégrant plus facilement en produisant des positrons devenant quarks qu'en leur antiparticule. Lié au phénomène d'entropie et à l'impossibilité d'inverser la flèche du temps, l'Univers semble donc a posteriori avoir privilégié la matière en fonction d'une finalité, notre présence.

En faisant appel à une notion de finalité, le principe anthropique conduit aussi à sa perte. Car si les lois de la physique auraient pu être multiples, même les lois qui gouvernent l'Univers seraient en désaccord avec la théorie quantique de l'état singulier du Big Bang et son évolution ultérieure. Il semble donc que les seules variations possibles aient été celles d'un choix d'Univers parmi différentes configurations initiales. Cela nous ramène à sa version faible. Cette démarche tient compte de conditions nécessaires mais nullement d'une finalité.

Aussi, nous devons récuser le principe anthropique fort. Si des Univers parallèles existent, ils n'ont en tout cas aucune influence dans le nôtre et cette idée s'évanouit. Si l'Univers a été créé en fonction de l'Homme, rien ne lui dictait d'imposer aux autres galaxies d'être identiques à la nôtre. Tout au plus les étoiles du bras d'Orion de notre Voie Lactée devraient-elles être ce qu'elles sont, composées d'éléments enrichis pour donner naissance au Soleil et à la vie.

Au su des découvertes de la science, on ne peut pas imaginer que l'Univers fut créé avec l'image de l'Homme en filigrane. Nous en serions flattés, mais ce serait faire fi de toutes les découvertes accumulées en physique, en astronomie, en chimie, en biologie et en paléontologie.

Un trait d'union entre physique et biologie

Même si on ne croit pas au principe anthropique, il faut bien reconnaître que les coïncidences des grands nombres n'ont pas d'explications simples. En étudiant les conditions d'émergence de la vie, on peut en effet démontrer que certains rapports de masse des particules élémentaires et certains paramètres cosmologiques (dimension de l'univers, propriétés du cosmos à grande échelle, etc) ne peuvent varier que dans des limites assez étroites. C'est particulièrement vrai pour la constante cosmologique qui assure un juste équilibre entre expansion et contraction de l'univers (voir page suivante). Si cela ne prouve en rien que la vie devait apparaître dans les conditions actuelles de l'univers, ces coïncidences forcent malgré tout les physiciens à se pencher un peu plus vers la biologie.

Ce que l'on peut dire avec certitude, c'est que nous ne sommes pas seulement le fruit du hasard. Si c’était le cas, il aurait fallut attendre bien plus longtemps que la durée de vie de l'Univers pour que la chaîne de nucléotides élabore par hasard la chaîne d'ADN et d'ARN qui aboutit à l'Homme. Cette probabilité à moins d'une chance sur 1015 d'apparaître. En outre, il aurait fallut attendre que le hasard agence les molécules de la vie jusqu'à former l'Homme. A partir de quelques molécules d'ADN et d'ARN, la nature aurait dû essayer toutes les combinaisons possibles pour voir émerger l'intelligence. La probabilité est inférieure à 1/1080 !

A choisir entre le hasard et la nécessité de Jacques Monod, nous sommes obligés de choisir une solution intermédiaire, ce que qu'il convient d'appeler le hasard cumulatif, seul processus capable de créer de nouvelles espèces en quelques dizaines de milliers d'années par accumulations de mutations.

Une alternative pour expliquer l’apparition relativement rapide de la vie sur Terre est de considérer la panspermie. Les scientifiques hésitent en effet à considérer que la vie est apparue localement, même dans un milieu propice et aussi dense que l’air ou l’eau. Les bioastronomes ont tendance à favoriser l’hypothèse selon laquelle la vie est apparue sur Terre suite à une contamination extraterrestre par le biais d’un impact cométaire par exemple. Si nous découvrons des exoplanètes abritant la vie, cette théorie sera renforcée. Reste à prouver que la panspermie est un processus ordinaire de propagation de la vie dans l’espace. Elle se heurte toutefois au problème du froid, de l’effet des rayonnements ionisants et des distances à parcourir. Quant aux extraterrestres, rien de vraiment concret appuye cette hypothèse. Mais à force de chercher l'origine de la vie, nous trouverons bien un jour la réponse, qu’elle nous vienne de la science ou d’ailleurs.

Prochain chapitre

Les constantes de couplage

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[1] J.Barrow, F.Tipler et D.John, "The Anthropic Cosmological Principle", Clarendon Press, 1986; Oxford University Press, 1988 - J.Barrow, "The Constants of Nature: From Alpha to Omega. The Numbers That Encode the Deepest Secrets of the Universe", Pantheon Books, 2003 - J.Demaret et D.Lambert, "Le principe anthropique", Armand Colin, 1994; Dunod, 1994.

[2] J.Barrow et F.Tipler, op.cit. - F.Tipler, The Observatory, 102, 1982, p36 - J.Barrow, Quaterly Journal of the Royal Astronomical Society, 24, 1983, p146.

[3] J.Gott, Nature, 363, 1993, p315.

[4] H.Pagels, "A Cosy Cosmology", The Sciences, 25, 1985, p33.

[5] B.Carter, "Confrontation of cosmological theories with observational data", Symposium IAU, 63, M.Longair, Ed.Reidel, 1974.

[6] A.Eddington, "The nature of the physical world", McMillan, 1929; Cambridge University Press, 1929/2012; Andesite Press, 2015.

[7] A partir des relations (1) et (2) Dirac suggéra en 1937 que la force de la gravitation devait varier en fonction inverse de l'évolution du temps. Mais à ce jour aucune expérience n'a permis de mesurer la moindre variation de la "constante" de la gravitation, dans quelque condition que ce soit.

[8] P.Dirac,Nature, 139, 1937, p23 - P.Dirac, Proceedings of The Royal Society of London, A, 165, 1938, p199 - V.Canuto, Physical Review, D,16, 1977, p1643 - V.Canuto et J.Lodenquai, Astrophysical Journal, 211, 1977, p342.

[9] C.Will, "Theory and Experiment in Gravitational Physics", Cambridge University Press, 1993.

[10] S.Weinberg, “Dreams of a Final Theory: The Search for the Fundamental Laws of Nature”, 1993.

[11] R.Dicke, Nature, 192, 1961, p440.

[12] B.Carter, op.cit., p291.

[13] F.Dyson, "Les dérangeurs de l'univers", Payot, 1987. Voir aussi la vidéo en anglais de la courte interview qu'il accorda sur le principe anthropique.


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