Crise dans la physique ? Pascal Lederer*

L’auteur recense ici les prises de positions de chercheurs contredisant la thĂ©orie du big bang, et en prĂ©sente les principaux arguments. L’éclairage de cette controverse scientifique est ainsi l’occasion pour le directeur de recherche honoraire au CNRS d’une prise de position sur l’état de la recherche sur la physique des hautes Ă©nergies et la cosmologie.

Pascal Lederer est directeur de recherche honoraire au CNRS et membre de la commission ESR (Enseignement supérieur et Recherche) du PCF.

Des signes multiples apparaissent d’une crise dans la physique des hautes Ă©nergies et la cosmologie.

Lee Smolin, thĂ©oricien connu, publie livre sur livre (dont Rien ne va plus dans la physique). Pour lui, la thĂ©orie des cordes, qui a mobilisĂ© depuis trente ans certains des meilleurs thĂ©oriciens du monde, aboutit Ă  une impasse. Cette thĂ©orie gĂ©omĂ©trique requiert, pour dĂ©crire les particules Ă©lĂ©mentaires, dix ou onze dimensions d’espace-temps, invoque des supercordes ou des branes inaccessibles Ă  l’expĂ©rience ; la thĂ©orie des cordes Ă©choue Ă  dĂ©crire les particules connues
 Aucune expĂ©rience ne vient Ă  son appui.

Prix Nobel de physique 1998, Robert Laughlin dĂ©clare en 2008 : « Le big bang c’est du marketing. » Avec un autre thĂ©oricien Ă©tatsunien cĂ©lĂšbre, David Pines, il publie en 2000 un texte sur « The Theory of Everything » qui attaque tout un courant thĂ©orique qui veut trouver les Ă©quations fondamentales du monde. Les auteurs caractĂ©risent cette tentative comme un avatar du rĂ©ductionnisme. S’ils tirent un coup de chapeau Ă  ce dernier, qui a permis de grandes avancĂ©es dans la connaissance de la matiĂšre, ils parlent aussi de toutes sortes de phĂ©nomĂšnes physiques Ă©mergents, bien compris, que la « thĂ©orie du tout » ne saurait expliquer. Ils notent : « Le rĂŽle essentiel que jouent des principes d’organisation de plus haut niveau pour dĂ©terminer des comportements Ă©mergents continue d’ĂȘtre ignorĂ© par de si nombreux physiciens. Ce fait constitue un trait consternant de la science moderne. »

POURQUOI LA CRISE DE LA THÉORIE BIG BANG ?

En 1887, Albert Abraham Michelson et Edward Morley tentent de dĂ©tecter un « Ă©ther luminifĂšre ». Devant le fait expĂ©rimental de l’invariance de la vitesse de la lumiĂšre dans tout rĂ©fĂ©rentiel, les physiciens concluent que l’éther matĂ©riel n’existe pas et que l’espace est vide.

Une des plus connues est la dĂ©couverte d’une accĂ©lĂ©ration de l’expansion de l’Univers. Une autre est la vitesse de rotation des galaxies en contradiction avec la relativitĂ© gĂ©nĂ©rale.

Toute la pensĂ©e de l’histoire de l’Univers s’est fondĂ©e pendant plus d’un siĂšcle sur l’idĂ©e que les objets du cosmos se meuvent dans un espace vide. Les « preuves » expĂ©rimentales du big bang sont surtout le dĂ©placement vers le rouge des frĂ©quences de photons Ă©mises par les corps stellaires, les galaxies…, et le « fond diffus cosmologique » dĂ©couvert par Arno Penzias et Robert Wilson en 1965, la radiation micro-onde de l’espace. Le dĂ©placement des frĂ©quences vers le rouge, dĂ©couvert par Hubble, est attribuĂ© Ă  l’expansion de l’Univers et Ă  l’effet Doppler dĂ» Ă  la vitesse d’éloignement des sources lumineuses. Le fond diffus cosmologique serait, lui, dĂ» Ă  un rĂ©sidu thermique de l’Univers primordial et du big bang initial.

LES DIFFICULTÉS DE LA THÉORIE DU BIG BANG

Des objections, nombreuses, Ă  la thĂ©orie du big bang ont Ă©tĂ© dĂ©crites par plusieurs auteurs, comme Laughlin citĂ© ci-dessus, et bon nombre d’autres, parmi lesquels Christian Jooss en 2020 dans son livre Self Organization of Matter – A Dialectical Approach to Evolution of Matter in the Microcosm and Macrocosm.

Une des plus connues est la dĂ©couverte d’une accĂ©lĂ©ration de l’expansion de l’Univers. Une autre est la vitesse de rotation des galaxies en contradiction avec la relativitĂ© gĂ©nĂ©rale : elle pourrait indiquer une modification de la dynamique de Newton Ă  grande distance. L’invocation d’une « Ă©nergie noire », dont on ne connaĂźt rien, dans un cas et d’une matiĂšre noire dans un autre permet de rester dans le cadre du big bang. On ne connaĂźtrait Ă  l’heure actuelle qu’une petite fraction de la matiĂšre totale de l’Univers, celle des Ă©toiles, et des galaxies notamment, qui Ă©mettent de la lumiĂšre.

En ce qui concerne le dĂ©placement vers le rouge, la loi de Hubble, qui en lie l’intensitĂ© Ă  la distance de l’émetteur lumineux, requiert une expansion homogĂšne et uniforme du cosmos, alors que la distribution inhomogĂšne de matiĂšre dans des structures galactiques de grande taille devrait entraĂźner des dĂ©viations mesurables de la loi. Par ailleurs, les dĂ©viations mesurĂ©es de la loi de Hubble sont en accord, selon Jooss, avec une hypothĂšse d’écrantage partiel de la gravitation, sans expansion cosmique.

Christian Jooss discute en dĂ©tail les diffĂ©rentes explications alternatives au dĂ©placement vers le rouge ou les diffĂ©rentes contributions au fond diffus cosmologique du spectre de radiations. L’homogĂ©nĂ©itĂ© et l’isotropie de ce fond est interprĂ©table en termes d’équilibre thermique du cosmos, avec des inhomogĂ©nĂ©itĂ©s dues aux fluctuations autour de l’équilibre. D’autres aspects de la thĂ©orie du big bang sont Ă©galement questionnĂ©s, cet article se concentre nĂ©anmoins sur ceux prĂ©alablement exposĂ©s.

Face Ă  la conclusion incontournable, celle de l’existence d’un Ă©ther quantique douĂ© d’énergie, et donc de masse, comment une thĂ©orie du big bang et d’une expansion de l’Univers dans un espace vide peut-elle survivre?

Il est frĂ©quent, lorsqu’une thĂ©orie rencontre des difficultĂ©s parce que telle ou telle de ses prĂ©dictions est dĂ©mentie par l’expĂ©rience, que ses auteurs recourent Ă  des hypothĂšses ad hoc pour la prĂ©server. L’autre choix pourrait ĂȘtre de renoncer Ă  cette thĂ©orie et d’en chercher une meilleure, et d’en vĂ©rifier les consĂ©quences et les prĂ©dictions. C’est la premiĂšre branche de l’alternative qui semble ĂȘtre choisie parmi les tenants du big bang.

Y aurait-il des raisons idĂ©ologiques Ă  la dĂ©fense d’une thĂ©orie qui a le mĂ©rite, aux yeux de certains, de relever du crĂ©ationnisme ? Car pour les tenants du big bang, l’Univers a surgi de rien. C’est surprenant quand on se reporte Ă  la loi universellement connue et vĂ©rifiĂ©e de la conservation de l’énergie et de la quantitĂ© de mouvement dans un systĂšme isolĂ©. Quoi qu’il en soit, la critique du big bang ne peut pas se fonder sur une critique idĂ©ologique, mais sur des faits expĂ©rimentaux et des explications thĂ©oriques relevant de la dĂ©marche scientifique.

MAIS L’ESPACE N’EST PAS VIDE !

Le dĂ©veloppement de la mĂ©canique quantique depuis cent ans aurait dĂ» modifier ces conceptions : les oscillateurs quantiques que sont les photons, mais aussi les bosons porteurs de l’interaction forte (les gluons) ou Ă©lectrofaible (les faiblons, weakons en franglais) ont, en plus de leurs excitations stables, des « oscillations de point zĂ©ro », des excitations instables jusqu’à tempĂ©rature nulle. La physique contemporaine parle d’un vacuum (« vide » en latin) qui est
 rempli d’oscillations de points zĂ©ro. Le terme d’éther quantique est plus appropriĂ©. Nous vivons dans un espace empli de fluctuations quantiques. Leur existence est expĂ©rimentalement prouvĂ©e par l’effet Casimir, le dĂ©placement de Lamb du spectre de l’hydrogĂšne ou les forces de Van der Waals entre molĂ©cules, entre autres. Ces fluctuations ont une Ă©nergie, et donc une masse, suivant la relativitĂ©. Elles sont prĂ©sentes partout : dans les atomes, dans l’espace autour de nous, dans le cosmos. Nous baignons dans un Ă©ther formĂ© de fluctuations quantiques.

Prix Nobel de physique 1998, Robert Laughlin dĂ©clare en 2008 : « Le big bang c’est du marketing. »

Face Ă  la conclusion incontournable, celle de l’existence d’un Ă©ther quantique douĂ© d’énergie, et donc de masse, comment une thĂ©orie du big bang et d’une expansion de l’Univers dans un espace vide peut-elle survivre ? La densitĂ© d’énergie de l’éther quantique est plus grande de 120 ordres de grandeur que celle calculĂ©e dans une thĂ©orie du big bang !

COMME LE FER DES AIMANTS, L’ÉTHER QUANTIQUE A DES PHASES DIFFÉRENTES

La dĂ©couverte expĂ©rimentale du boson de Brout-Englert-Higgs en 2012 a des consĂ©quences importantes sur notre conception du cosmos. Elle confirme une hypothĂšse : celle d’une transition de phase de l’éther quantique Ă  trĂšs haute tempĂ©rature (200 GeV, des millions de milliards de degrĂ©s !) entre une phase de haute Ă©nergie (haute tempĂ©rature) oĂč tous les bosons ont une masse nulle, et une phase superfluide de plus basse Ă©nergie. Le boson de Brout-Englert-Higgs est la particule de masse nulle dans la phase (dite Ă©lectrofaible) Ă  haute tempĂ©rature dont le caractĂšre massif Ă  « basse » Ă©nergie restait Ă  confirmer jusqu’en 2012.

Une représentation du boson de Higgs, découvert en 2012.

Il est fascinant que l’idĂ©e d’une transition Ă  haute Ă©nergie de l’éther quantique Ă  une phase superfluide, idĂ©e qui a Ă©mergĂ© en 1964, ait Ă©tĂ© inspirĂ©e de la thĂ©orie de 1958 de la supraconductivitĂ© dans nos mĂ©taux terriens, Ă  trĂšs basse tempĂ©rature (– 150 °C). Celle-ci rĂ©sulte d’une « brisure spontanĂ©e de symĂ©trie » de la phase mĂ©tallique normale. Dans le supraconducteur, le photon, notre « photon habituel » de masse nulle, acquiert une masse Ă  cause de son interaction avec le milieu supraconducteur. La thĂ©orie de Brout-Englert-Higgs, Ă  des dĂ©tails techniques prĂšs, est inspirĂ©e par la physique du supraconducteur. En ordre de grandeur, la diffĂ©rence quantitative est Ă©norme. La masse du photon dans un supraconducteur est de l’ordre d’une dizaine de milliĂ©lectronvolts, celle du boson dans la phase superfluide de l’éther quantique d’une centaine de gigaĂ©lectronvolts ! Mais la physique est peu ou prou la mĂȘme (une symĂ©trie un peu plus compliquĂ©e que celle de la supraconductivitĂ©) : la thĂ©orie quantique non relativiste en matiĂšre condensĂ©e a une parentĂ© Ă©troite avec la thĂ©orie de la physique des hautes Ă©nergies.

Le nom de « particule de Dieu » dont on a affublĂ© le boson de Brout-Englert-Higgs, frĂ©quemment Ă©voquĂ© dans la presse grand public, montre le degrĂ© de dĂ©lire irrationnel qui rĂšgne dans certains mĂ©dias et chez certains commentateurs scientifiques. Le boson de Brout-Englert-Higgs n’est pas plus divin que le photon dans un supraconducteur.

L’ORIGINE EXPLIQUÉE DES PARTICULES ÉLÉMENTAIRES ?

Le modĂšle standard, Ă  partir de 1974, classe de façon remarquable le « zoo » des quelque 200 particules du microcosme, trouvĂ©es expĂ©rimentalement, Ă  partir des combinaisons de 24 fermions et 4 bosons, particules considĂ©rĂ©es comme Ă©lĂ©mentaires : quarks, Ă©lectrons, gluons, photons, neutrinos
 Reste Ă  approfondir une explication fondamentale pour l’apparition de ces objets.

Il reste que si l’on connaĂźt des Ă©lĂ©ments constitutifs de cet Ă©ther quantique, par exemple la phase superfluide de Higgs (celle qui donne des masses aux bosons, sauf au photon) ou la soupe de gluons superfluide, la structure dĂ©taillĂ©e de l’éther quantique reste, Ă  ma connaissance, Ă  dĂ©terminer.

Dans notre monde non relativiste, nous connaissons aussi toutes sortes de particules quantiques qui Ă©mergent des matĂ©riaux organisĂ©s : dans un cristal apparaissent des phonons, vibrations collectives des atomes du cristal. Dans un supraconducteur sous champ magnĂ©tique Ă©mergent des tourbillons, les vortex ; ils portent un filament de champ magnĂ©tique, qui est un quantum de flux ; hors des vortex, le champ magnĂ©tique est nul dans le fluide supraconducteur. Dans les Ă©tats de Hall quantique apparaissent des skyrmions, sortes de hĂ©rissons d’aimantation, eux aussi quantifiĂ©s en fractions de charge Ă©lectrique et en quanta de flux. Un physicien thĂ©oricien russe, Grigori Volovik, a fait une proposition brillante : dans son livre Universe in a Helium Droplet, publiĂ© en 2003, il montre que les excitations Ă©lĂ©mentaires et dĂ©fauts topologiques des phases superfluides de l’hĂ©lium 3 ont des analogies Ă©troites avec les excitations et particules du modĂšle standard ; il Ă©tudie l’identitĂ© et la diffĂ©rence entre les diffĂ©rentes formes de mouvement dans le superfluide quantique hĂ©lium 3 et dans l’éther quantique. Sur cette base, comme le discute Christian Jooss dans son livre, on peut Ă©baucher une genĂšse des particules subatomiques du modĂšle standard Ă  partir des excitations et des dĂ©fauts topologiques de l’éther quantique. La prise en compte de l’éther quantique permet aussi, Ă  partir de la physique des superfluides quantiques, de proposer un scĂ©nario pour la formation des trous noirs, dont l’actualitĂ© nous a donnĂ© de magnifiques images.

Il reste que si l’on connaĂźt des Ă©lĂ©ments constitutifs de cet Ă©ther quantique, par exemple la phase superfluide de Higgs (celle qui donne des masses aux bosons, sauf au photon) ou la soupe de gluons superfluide, la structure dĂ©taillĂ©e de l’éther quantique reste, Ă  ma connaissance, Ă  dĂ©terminer. Un champ de connaissance passionnant Ă  dĂ©fricher, qui intĂ©resse Ă  la fois le microcosme, la matiĂšre condensĂ©e et le macrocosme.

Une réflexion sur “Crise dans la physique ? Pascal Lederer*

  1. Pas toujours lisible par le citoyen moyen mĂȘme disposant de connaissances minimales en Physique newton. MAIS INDISPENSABLE car il rappelle et CONFIRME que la science zigue-zague (au moins) si l’idĂ©ologie la domine. lAa crise du Capitalisme bouleverse la totalitĂ© de la Connaissance.

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