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Le principe anthropique

Un univers multidimensionnel (III)

Le principe anthropique permet également de résoudre certains paradoxes ou indéterminations, mais n'est pas une preuve de sa réalité. Ainsi, si l'on suppose qu'il y a plusieurs dimensions d'espace, comment expliquer que trois seulement d'entre elles soient accessibles ? Une réponse se base sur la théorie des cordes, théorie qui cherche à unifier les lois de la physique. Elle implique que dans le passé, les 11 ou 26 dimensions de l'Univers étaient très recourbées, dans un espace réduit à l'échelle de Planck et que sous l'égide du principe anthropique, seules 3 dimensions en plus du temps pouvaient permettre le développement de la vie. Les autres dimensions existent mais sont infiniment petites et donc invisibles à nos yeux.

G.Whitrow[19] a également soulevé la question des trois dimensions de l'espace. Si la vie à deux dimensions est vouée à l'échec (le système digestif vous couperait en deux par exemple), un univers à quatre dimensions rendrait le monde très instable, de la course de l'électron à celle des planètes. Les forces électromagnétiques et gravitationnelles varieraient en fonction inverse du cube de la distance. Tous les astres suivraient des trajectoires en spirales avant de s'écraser au centre et s'évaderaient dans l'espace[20]. Les ondes se propageraient sans vitesse déterminée entraînant une incohérence totale des signaux, du niveau microscopique jusqu'à l'échelle de l'univers.

L'univers tridimensionnel explique également pourquoi les interactions électromagnétiques et gravitationnelles varient en fonction inverse du carré de la distance.

La loi de Newton

La loi de Coulomb

La force gravitationnelle "F" qui s'exerce entre deux corps de masse "M" et "m" est inversement proportionnelle à la distance "r" qui les sépare. Elle est toujours attractive.

La force électrostatique qui s'exerce entre deux particules chargées "q1 " et "q2 " obéit à la même loi mis à part que deux charges de signes opposés s'attirent mais dans un rapport 1042 fois plus élevé.

Ainsi que le disait Emmanuel Kant[21] en 1747 qui, faut-il le rappeler, fut physicien avant d’être philosophe, ce n'est pas tant lié au fait que nous existons, c'est plutôt une propriété de la géométrie de l'espace à laquelle les lois ont dû se plier. Imaginons comme le fit P.Ehrenfest en 1917 un univers à deux dimensions. La force électromagnétique et la gravitation se propagent jusqu'au périmètre d'un cercle dont la géométrie nous dit que la circonférence est proportionnelle au rayon. Les forces diminuent donc en fonction de la première puissance de la distance. Si nous généralisons cette loi à toutes les dimensions N d'espace[22], on constate que ces deux forces varient en fonction inverse de la puissance N-1 de la distance r.

Force et dimensions

avec F, la force gravitationnelle ou électromagnétique

          N, le nombre de dimensions de l'espace

Mais cela ne signifie pas que ces paramètres ont nécessairement varié au cours du temps. Des dizaines de chercheurs ont vainement essayé de trouver cette preuve primordiale mais il est quasi certain que si ces paramètres ont varié dans le passé, tout notre univers aurait été différent et les lois s'appliqueraient également d'une toute autre façon.

Reste la dimension temporelle. Ce sujet a rarement été étudié car il concerne une variable bien particulière des équations d'Einstein, -ct2 qui ressemble plus à une constante faisant partie des conditions initiales qu'à une donnée expérimentale.

C'est J.Dorling[23] en 1970 qui semble avoir été le seul à étudier les univers ayant plusieurs dimensions temporelles. Dorling a découvert qu'un univers ayant plus d'une dimension de temps rendrait les particules de masse non nulles très instables. En fait dans un univers à N dimensions de temps, la loi de conservation n'est pas respectée, c'est la démocratie nucléaire; les désintégrations de particules lourdes peuvent donner naissance à d'autres particules lourdes dont la masse totale est supérieure à la masse de la particule originelle. Quant aux particules de masse nulle au repos, tel le photon, on n'ose pas imaginer quelles pourraient être les conséquences sur la propagation des signaux et les interactions en général.

Dans ces conditions, l'existence même des particules élémentaires est interdite sous leur forme actuelle, avec pour conséquence anthropique l'inexistence de la vie et de façon générale cet univers à dimension multitemporelle remettrait en question l'évolution cosmique tel que nous la connaissons.

Les lois fondamentales de la nature

Est-il possible d’expliquer scientifiquement le principe anthropique ? S'il s'agit d'un principe et non pas d'une loi, on peut déjà le rapprocher des postulats et il est vain de chercher une explication rationnelle. Sa découverte est posée comme l'une des conditions initiales. Plutôt que d’invoquer le hasard, certains préfèrent considérer le concept probabiliste et parlent d'univers parallèles, de voyages dans le temps, d'un Créateur atemporel pour expliquer la réalité quantique. Les explications scientifiques concernant les univers multiples de Hugh Everett ou les trous de ver de John Wheeler sont des interprétations très hardies, appréciées par certains physiciens qui tentent d'expliquer les premiers instants de l'Univers, mais ces spéculations restent posées a posteriori. N'oublions la réflexion de Karl Popper : "Une théorie scientifique doit être réfutable". Car même s’il existe cent milles exemples pour démontrer l’utilité du principe anthropique, un contre-exemple suffit à le réfuter.

Notre vision du monde dépend de la sensibilité spectrale de nos récepteurs sensoriels. La Sûre à Diekirch (L) photographiée en proche infrarouge à 665 nm. Document T.Lombry.

Rien dans le discours scientifique permet de postuler que les arguments des adeptes du principe anthropique peuvent être généralisés à tout l'Univers. Le principe anthropique n’exclut pas la foison d’univers parallèles ou imbriqués. Il dit seulement que si les constantes de la nature peuvent avoir d’autres valeurs dans d’autres régions de l’univers, alors personne n’existe pour les mesurer. Mais encore une fois cette présomption n’impose aucun rôle particulier à la vie dans les lois fondamentales de la nature. Seule contrainte, le fait que le Soleil ait une planète sur laquelle la vie ait pu se développer implique que la vie a joué un rôle dans l’origine du système solaire.

Comme le dit Weinberg, “si l’on parvient à démontrer que les lois fondamentales décrivent la distribution des valeurs des constantes de la nature dans toutes les régions de l’univers, alors on pourra dire que la vie n’a joué aucun rôle particulier dans l’élaboration de ces lois”.

Si cette extrapolation de nos lois est mise en échec, dans ce cas il est évident que ce "principe" devra être examiné d'un point de vue analytique. A l'heure actuelle, l'introduction du principe anthropique dans la cosmologie est ressentie par les chercheurs cartésiens comme une démarche non scientifique voire dogmatique, une solution de facilité devant l'ordonnance de l'Univers.

Comme l'a écrit Hubert Reeves[24] "L'Univers a les propriétés requises pour amener la matière à gravir les échelons de la complexité". Les réactions chimiques menant à la vie ont une capacité d'auto-organisation à l'instar de la réaction auto-entretenue de Belousov Zhabotinsky. La vie a très bien pu naître, non par hasard mais dans une séquence abiotique dominée par le respect de certaines règles. Les constantes de la physique maintiennent en équilibre des forces antagonistes sans lesquelles la matière n'existerait pas. Ces constantes confèrent aux électrons, aux atomes, aux molécules l'ensemble de leurs propriétés, du solide jusqu'au plasma.

On peut ignorer le nombre de Eddington (~1080), le rapport de la masse du proton à la masse de l'électron (1836) ou la constante de structure fine (~1/137) et même envisager leur variation au cours du temps. Toutefois ces équations sont incompatibles avec les observations.

Entre nécessité et contingence

Ce titre reflète déjà un problème d'ordre métaphysique sur lequel il est philosophiquement très dangereux de s'avancer au risque de passer pour un défenseur dogmatique plutôt que d'un scientifique sceptique et tout au mieux agnostique, qui s'interroge sur la réalité d'un Créateur dont l'existence est loin d'être démontrée. 

Dans le cadre de la physique moderne, on ne peut plus considérer l'Univers et ses objets comme la représentation d'une force vitale ou d'un principe métaphysique. L'Univers doit être considéré comme un objet d'expérience fonctionnel plutôt que figurable, ce qui lui donne toute sa réalité, en dehors de toute contrainte mécanique ou présupposé métaphysique.

Qu'il y ait des coïncidences, on se l'accorde, encore que certaines semblent adéquatement calculées et particulières au modèle Standard de la physique (limitées à l'univers visible, à la masse du proton, etc). Mais tout le monde ne partage pas les idées à connotations métaphysiques des adeptes du principe anthropique qui oscillent entre nécessité immanente et univers contingent sous l'emprise plus ou moins libre de Dieu. En fait, depuis qu'ils sont libérés du carcan imposé par l'Église, les chercheurs n'opposent plus depuis longtemps la nécessité à la contigence, un débat qui s'est finalement avéré stérile.

Les rubans concentriques à la fois chaotiques et fractals d'une agate. Même sans intervention divine, l'inerte peut faire preuve d'une grande créativité et d'un sens artistique que ne démentirait pas un peintre abstrait.

En fait, l'idée partagée par les athées et beaucoup d'agnostiques est que si l'Homme fait effectivement partie de la création, il suit strictement la même évolution que toutes les autres créatures, vivantes ou inertes, même si la nôtre est temporairement illuminée par quelques lueurs d'intelligence, d'amour et parfois de vanité. Mais comme les animaux ou les étoiles, nous finissons tous en poussière et sommes emportés par le vent dans le grand désordre cosmique qui nous entoure sans espoir de survivre ou de renaître. Cette fin inéluctable est la simple et cruelle conclusion de l'aboutissement des lois de la thermodynamique qui président à l'évolution de tout système organisé ou non, simple ou complexe. Ce processus naturel ne requiert a priori aucune intervention divine particulière ni finalité. En tous cas rien ne vient prouver le contraire si ce n'est l'un ou l'autre texte sacré. On y reviendra dans le dossier consacré à la Bible face à la critique historique.

Jusqu'à preuve du contraire, ceux qui ne partagent pas cette opinion seraient bien en peine de démontrer la réalité du Créateur ou des autres affirmations de la profession de Foi. Leur opinion ressort donc d'une croyance qui n'a rien de rationnelle même si elle peut les rassurer, c'est une idée métaphysique qui rejoint des concepts tout aussi discutables que la fatalité, la prédestination, l'incarnation, la résurrection ou la vie éternelle. Cette foi transcendante en un être Supérieur que d'autres appelleront destin ou principe anthropique aveugle les plus sectaires devant la réalité objective du monde car il leur manque cette auto-critique qui permet à la saine curiosité scientifique de s'épanouir et de mettre le doigt sur les carences de leurs préjugés. Même René Descartes, chef de file des cartésiens, croyait éluder la question en discutant de la liberté divine ou de la contingence absolue alors qu'il ne faisait que renforcer l'idée d'omniprésence de Dieu. En dépit de ses erreurs et ses échecs, la physique cartésienne a toutefois permis aux scientifiques modernes de mettre au point une méthode pour appréhender le réel de manière plus simple et plus commode, sur base de représentations à la fois théoriques et expérimentales.

Cette méthode nous a particulièrement bien réussi. C'est ainsi que nous avons découvert les coïncidences des grands nombres ou les valeurs bien étranges des constantes de couplage. Elles émanent de la théorie quantique et des modèles cosmologiques et nous avons vu qu'elles s'appliquent, à des degrés variés, à tous les échelons de la hiérarchie cosmique. L'impact de ces constantes de la Nature sur la théorie "de Tout" nous dévoilera peut-être la raison de notre existence. Avec le temps, les chercheurs déduiront peut-être les raisons sine qua non de ces coïncidences.

Cette intelligence qui nous caractérise parfois, nous permet d'inventer de nouveaux cadres formels, de construire des représentations toujours plus générales de la réalité, nous apportant le fol espoir que nous pouvons nous libérer de la nécessité immanente, de la contingence, du destin ou de l'ordre de la nature.

Et si le principe anthropique n'était qu'une illusion

En attendant de comprendre la nature profonde de l'Univers et ses lois, le principe anthropique résiste aux idées véhiculées par la science. Pour battre cette idée en brèches, nous devons démontrer que dans le passé l'Univers eut le choix parmi différentes configurations. Cela empêcherait les adeptes du principe anthropique de prétendre que le Créateur aboutit à l'Homme par une voie unique. L'idée même d'un Créateur serait alors sans fondement, l'Univers s'édifiant seul[25].

C'est justement dans ce contexte qu'en 2018 l'astrophysicien Evan Grohs de l'Université du Michigan et ses collègues ont proposé dans un article publié dans la "Physical Review D" (en PDF sur ArXiv) une théorie selon laquelle l'Univers pourrait être semblable à celui que nous connaissons sans l'existence de l'interaction faible et avec des neutrons stables.

Rappelons que l'interaction faible est indispensable pour réaliser certaines réactions nucléaires. Elle explique notamment la décroissance des particules, elle permet la fusion de deux protons en un deutéron et l'interaction électromagnétique permet sa fusion avec un proton libre pour former un hélion (noyau 3He) dans le coeur des étoiles. Enfin, elle est également responsable de l'abondance de l'eau dans l'Univers. En effet, comme nous le verrons à propos de la théorie du Big Bang, au cours des premières minutes qui suivirent la formation de l'Univers, c'est l'interaction faible qui provoqua la décroissance des neutrons libres en protons. Pratiquement tout l'hydrogène qui existe aujourd'hui est le résultat de ces interactions faibles. Par conséquent, si l'hydrogène ne s'était pas combiné à l'oxygène, il n'y aurait pas eu d'eau et au bout de la chaîne, il n'y aurait peut-être pas eu de vie sur Terre.

En l'absence d'interaction faible, tous les neutrons libres et les protons auraient fusionné pour former de l'hélium dans les premières minutes qui suivirent la naissance de l'Univers et pour nous, l'histoire se serait probablement arrêtée là. Bref, sans l'interaction faible beaucoup de réactions chimiques ne pourraient pas se produire.

Mais selon Grohs et ses collègues physiciens, il est possible d'envisager un Univers sans interaction faible tout en préservant les conditions nécessaires à l'émergence de la vie.

Selon les résultats de leur étude, tout d'abord l'Univers devrait contenir beaucoup plus de rayonnement (de photons) que de matière; il faudrait réduire le rapport primordial entre matière et rayonnement d'un facteur d'au moins 100 comparé à notre l'Univers. A partir de cette énergie contenant une faible quantité de matière (tout étant relatif), les chercheurs ont calculé qu'un mélange de protons, de neutrons libres, de deutérium (2H) et d'hélium (4He) émergerait, similaire à celui de notre Univers.

Ensuite, comme ce fut le cas lors de la formation de notre Univers, il suffirait d'attendre que le froid s'installe pour que les réactions se déclenchent. L'interaction faible agissant sur des échelles microscopiques (< 10-15 cm ou 10-3 Fermi), elle n'affecte que le comportement des particules élémentaires. Ainsi, dans cet autre Univers, en comptant uniquement sur les interactions gravitationnelle et électromagnétique dont l'effet resterait inchangé à leurs échelles respectives, les nuages ​​primordiaux de gaz formeraient également des disques galactiques où se condenseraient les étoiles et ensuite les éventuelles planètes. Selon les chercheurs, il y aurait quelques différences, la plus importante étant une abondance inhabituelle de deutérium résultant de tous ces protons et neutrons libres errant dans l'espace. Cependant, rien ne bouleverserait la structure de base de l'Univers.

Enfin, quand les premières étoiles s'illumineront, en l'absence d'interaction faible, les noyaux d'hydrogène ne fusionneront pas pour former de l'hélium. En revanche, il y aurait beaucoup plus de deutérium qui est tout aussi capable d'éclairer les ténèbres à sa manière. En effet, grâce à l'interaction forte, la collision d'un proton libre avec du deutérium va lier les deux particules dans un éclair d'énergie, laissant de côté l'isotope lourd de l'hélium-3. La fusion du deutérium produit une réaction thermonucléaire dont le rendement est beaucoup plus faible que la nucléosynthèse stellaire classique qui fait briller le Soleil à partir d'hydrogène et faisant intervenir l'interaction faible. La plupart des étoiles deviendraient des sortes de géantes rouges à la fois très volumineuses et peu brillantes dans l'absolu qui dispaîtront assez rapidement du ciel. Toutefois, certaines étoiles brilleront plus longtemps, certaines pendant des milliards d'années. Et cette particularité est évidemment essentielle au processus très lent du développement de la vie.

Molécule d'ADN. Document Shutterstock.

Bien que nous ne connaissions que l'expérience de la Terre, nous savons que la vie a pris près d'un milliard d'année pour apparaître et encore sous une forme élémentaire. A priori, il n'y a aucune raison de supposer que ce processus prendrait plus (ou moins) de temps sur une autre planète, même en l'absence d'interaction faible. Par conséquent, pour qu'une forme de vie évoluée apparaisse dans un tel univers, il faudrait probablement que les étoiles survivent au moins 5 milliards d'années dont une bonne partie sur la Séquence principale comme c'est le cas du Soleil.

Quant à savoir comment se comporterait les lois de la mécanique céleste dans un univers sans interaction faible, selon les chercheurs, il n'y aurait probablement pas autant de structures solides. En effet, dans un tel univers il n'y aurait pas les éléments lourds qui existent aujourd'hui sur terre et qu'on retrouve dans le Soleil. Sans interaction faible, les étoiles seraient uniquement des usines chimiques. C'est-à-dire qu'à mesure que les étoiles vieilliront, elles transformeront de plus en plus de protons en particules plus lourdes. Dans notre univers, le cycle CNO a permis de créer énormément d'oxygène et de carbone. Ensuite comme l'ont expliqué Fred Hoyle et ses collègues dans leur fameux article B2FH, la fusion de deux hélions (particules α) avec chaque noyau les transmutent en atomes plus lourds jusqu'au fer mais des éléments plus lourds que le fer et stables sont également constitués dans la réaction en chaîne, y compris une quantité importante d'éléments radioactifs superlourds comme l'uranium.

Mais dans un univers sans interaction faible, sans la désintégration des neutrons, la fusion liée à l'interaction forte s'essoufflerait avec la formation du nickel (Z=28) contenant seulement 28 protons. Les atomes plus lourds comme le fer (Z=26) et tous les autres de poids supérieur pourraient encore se former, mais en quantités beaucoup plus faibles. L'humanité risquerait donc de manquer d'argent (Z=47), d'or (Z=79) ou d'autres métaux issus des processus r et s. En revanche, les éléments chimiques plus légers, comme l'oxygène et le carbone seraient beaucoup plus abondants.

Enfin, dans un univers sans interaction faible où la vie serait apparue sur une planète, la zone habitable serait plus proche de l'étoile qui serait beaucoup plus grandes que nos étoiles de type solaire mais dont l'éclat du disque beaucoup plus étendu que celui du Soleil serait inhabituellement faible.

En guise de conclusion

Bien sûr les chercheurs reconnaissent que tout ceci est théorique et spéculatif car il n'existe aucune preuve suggérant qu'il existe d'autres univers au-delà des distances que peuvent sonder nos télescopes.

Quoi qu'il en soit, cette étude est utile car à la question de savoir si la vie peut émerger dans un autre Univers qui disposerait d'eau et d'étoiles durables, la liste exhaustive des facteurs nécessaires à l'émergence de la vie telle qu'on l'applique sur Terre pourrait s'avérer incomplète voire totalement inapplicable dans un autre Uniuvers. Il semble en tout cas plausible que notre Univers peut très bien fonctionner et porter la vie sans interaction faible.

Dans ce cas, l'Univers n'est peut-être pas aussi spécial que certains voudraient nous le faire croire... A ce titre, l'étude de Grohs et de ses collègues a jetté un pavé dans la marre et soulevant une question essentielle que les adeptes du principe anthropique ont oublié dans leur argumention, à savoir : les constantes physiques de notre univers représentent-elles réellement des conditions indissociables au développement de la vie ? Cette question qui reste ouverte soulève la possibilité réelle que notre perception du monde ne soit tout simplement pas au centre de toute chose, n'en déplaise aux croyants.

Pour plus d'informations

Sur Internet

CODATA (valeur des constantes universelles, 2014)

Les constantes de couplage, sciences.ch

Interactions fondamentales et particules élémentaires (PDF), Luc Louys, ULB

Introduction à la physique des particules (PDF), L.Marleau, U.Laval, Canada

Coupling constant, Wikiversity

Universes without the Weak Force: Astrophysical Processes with Stable Neutrons (PDF), Evan Grohs et al., 2018

Livres

Le principe anthropique, J.Demaret et D.Lambert, Armand Colin, 1994; Dunod, 1994

L'heure de s'enivrer, H.Reeves, le Seuil, 1986/2000

Les dérangeurs de l'univers, F.Dyson, Payot, 1987 (voir aussi la vidéo en anglais)

The Constants of Nature. From Alpha to Omega, J.Barrow, Pantheon Books, 2003

The Anthropic Cosmological Principle, J.Barrow, F.Tipler et D.John, Clarendon Press, 1986; Oxford University Press, 1988

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

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

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[19] G.Whitrow, British Journal for the Philosophy of Science, 6, 1955, p13.

[20] L.Gurevich et V.Mostepanenko, Physics Letters, A, 35 , 1971, p201.

[21] J.Handyside, “Kant’s Inaugural Dissertation and Early Writings on Space”, Open Court, 1929.

[22] Lire également M.Jammer, "Concepts of space", Harvard University Press, 1969.

[23] J.Dorling, American Journal of Physics, 38, 1970, p538.

[24] H.Reeves, "L'heure de s'enivrer", Le Seuil, 1986.

[25] Consulter le dossier consacré à la philosophie des sciences pour une discussion sur la problématique de la conception divine.


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