La philosophie de A à Z

Résumé

La cosmologie est la science de l’univers conçu comme un système physique. En tant que telle, cette science soulève de nombreux problèmes philosophiques. D’une part, en traitant de questions comme « quel est l’âge de l’univers ? », « l’univers est-il fini ? », « quelle structure globale a l’univers ? », la cosmologie enquête sur un terrain jadis réservé aux mythes, aux religions et aux systèmes métaphysiques. D’autre part, parce qu’elle a un objet très particulier, l’univers, on lui a souvent refusé le statut de science, ce qui pose concrètement des problèmes de philosophie des sciences comme « qu’est-ce qu’une théorie scientifique ? », « peut-on admettre n’importe quelle hypothèse qui est en accord avec les observations ? » ou « quelle est la limite entre spéculation scientifique et spéculation philosophique ? ». Dans cet article, on expose les différentes étapes du développement de la cosmologie scientifique, l’image que l’on avait de l’univers à chacune de ces étapes, et les problèmes philosophiques liés à ces conceptions de l’univers.


Introduction

La cosmologie est la science qui a pour objet l’univers en tant que système physique, c’est-à-dire qui étudie la structure globale dans laquelle prennent place tous les phénomènes physiques. En tant que telle, la cosmologie se distingue de l’astrophysique, qui étudie les systèmes particuliers que l’on trouve à l’intérieur de l’univers. Par exemple, l’étude des étoiles, des galaxies, des amas de galaxies, de leur structure, de leur évolution, etc., est l’objet de l’astrophysique. Par contre, l’étude de la taille de l’univers, de son âge, de son expansion, de sa forme géométrique, etc., est l’objet de la cosmologie. Ainsi définie, la cosmologie est une science qui a plusieurs caractéristiques singulières qui la distinguent des autres sciences naturelles, parce que ce qu’elle étudie, l’univers, est un objet scientifique très particulier :

  • L’univers n’est pas un objet manipulable : on ne peut pas faire varier sa masse ou son âge comme on peut le faire en physique statistique par exemple, où l’on peut chauffer, dilater ou compresser un gaz pour voir comment il réagit. On ne peut pas non plus choisir les conditions dans lesquelles on l’observe. Cela signifie qu’au premier abord il semble impossible de faire des expériences scientifiques sur l’univers et donc d’utiliser la méthode expérimentale en cosmologie.
  • De plus, l’univers est unique. Il existe peut-être plusieurs univers (voir section 3), mais nous ne pouvons observer qu’un seul exemplaire d’univers : le nôtre. Cela nous empêche de faire des comparaisons et d’en tirer des généralités, comme on peut le faire par exemple en zoologie en comparant différents animaux de la même espèce ou d’espèces différentes.
  • Enfin, puisque nous faisons nous-même partie de l’univers, nous nous trouvons à l’intérieur du système physique que nous étudions. Cela signifie qu’en cosmologie, contrairement à la plupart des sciences, l’observateur n’est pas distinct de l’objet qu’il observe, mais il est une partie de cet objet. Nous ne pouvons donc avoir un point de vue global sur l’univers.

Ces caractéristiques de la cosmologie ont pour conséquence que cette science a eu une histoire particulière et a soulevé des problèmes philosophiques spécifiques. En effet, pour de nombreux philosophes et scientifiques, l’étude scientifique de l’univers était impossible : cet objet ne pouvait être décrit que par des discours non-scientifiques, comme les mythes, la religion ou la métaphysique (la métaphysique est la branche de la philosophie qui étudie les objets dont on ne peut faire l’expérience, comme les premiers principes de la connaissance, l’âme, dieu ou, précisément, le monde dans sa totalité, c’est-à-dire l’univers).

Dans la première section de cet article, on expose les origines et les fondements de la cosmologie scientifique actuelle, en montrant comment cette science s’est séparée des discours non-scientifiques sur l’univers, et comment elle est (re)devenue possible au début du XXe siècle grâce à l’apparition d’une nouvelle théorie de la gravitation, la relativité générale. Dans la deuxième section, on examine comment, des années 1940 aux années 1970, est apparue une théorie cosmologique de l’origine de l’univers (la théorie du big bang) et les enjeux philosophiques de cette théorie. Enfin, dans la troisième section, on passe en revue quelques-uns des principaux champs de recherche actuels en cosmologie qui soulèvent d’importantes questions philosophiques.


1. Comment une cosmologie scientifique est-elle possible ?

a. Cosmogonie mythique et cosmologie scientifique

La science n’est pas le seul discours à fournir une représentation globale de l’univers. Les discours mythologiques, religieux, et les systèmes métaphysiques décrivent aussi le monde dans sa globalité.

Un des plus anciens exemples de ce type de cosmologie non scientifique est celui du poète grec Hésiode qui, au huitième siècle avant notre ère, décrit en ces mots l’origine du monde dans sa Théogonie (littéralement : origine des dieux) :

Au commencement exista le Chaos, puis la Terre à la large poitrine, demeure toujours sûre de tous les Immortels qui habitent le sommet de l’Olympe neigeux ; ensuite le sombre Tartare, placé sous les abîmes de la Terre immense ; enfin l’Amour, le plus beau des dieux, l’Amour, qui amollit les âmes, et, s’emparant du cœur de toutes les divinités et de tous les hommes, triomphe de leur sage volonté.

Ces récits sur l’origine du monde est ce que l’on appelle une cosmogonie, du grec ancien « gonie » qui désigne l’origine, et « kosmos » qui désigne le monde mais aussi l’ordre et l’ornementation (c’est pourquoi on retrouve aussi cette racine dans « cosmétique »). En effet, la plupart des récits religieux ou mythiques sur l’origine du monde sont des récits qui ont pour but d’expliquer comment l’ordre naturel de l’univers est apparu, soit à partir d’un ensemble désordonné (le chaos) comme chez Hésiode, soit par l’effet de la volonté d’un pouvoir surnaturel comme dans le premier livre de la Bible intitulé La Genèse.

En ce sens, la cosmologie scientifique est bien une forme de cosmogonie puisque, comme on l’a vu, elle a pour objet de décrire la structure globale de l’univers dans laquelle les phénomènes physiques prennent place. Cependant, la cosmologie scientifique se distingue par sa méthode des autres formes de cosmogonie. En effet, au lieu d’essayer d’expliquer les phénomènes naturels (comme le cycle des saisons, la différence entre la terre et le ciel ou la différence entre la lune et le soleil) à partir de forces surnaturelles qui ont façonné l’ordre du monde, l’étude scientifique de l’univers procède selon une méthode inverse :

  • Elle part de l’étude de systèmes physiques particuliers, comme les corps qui nous entourent, les planètes ou les étoiles.
  • Elle en tire des lois scientifiques universelles, comme la loi de la gravitation ou les lois des réactions nucléaires.
  • Elle extrapole ces lois pour les appliquer à l’univers comme si c’était un système physique particulier.

Ainsi, si les cosmogonies mythiques partent de l’ordre de l’univers pour expliquer le détail des phénomènes naturels, la cosmologie scientifique part des phénomènes naturels pour expliquer la structure de l’univers. Cette méthode a un grand avantage : on peut tester les lois scientifiques que l’on applique à l’univers sur des systèmes particuliers (comme le mouvement des planètes), alors qu’on ne peut jamais réaliser d’expériences scientifiques sur « les Immortels qui habitent le sommet de l’Olympe neigeux ».

Par contre, la méthode de la cosmologie scientifique pose un problème : comment peut-on être sûr que les lois scientifiques qui s’appliquent à des systèmes particuliers s’appliquent aussi à l’échelle de l’univers tout entier ?

b. Naissance et mort de la cosmologie scientifique

Pendant l’antiquité, la cosmologie était fondée sur les lois de l’astronomie. L’astronomie est une science qui consiste à observer les astres, mesurer leur position et prédire leurs mouvements.

C’est une des disciplines les plus anciennes de l’histoire humaine. Les astronomes babyloniens par exemple, faisaient des observations d’une précision suffisante pour prédire avec une grande régularité les éclipses de lune et de soleil dès le premier millénaire avant notre ère.

L’astronomie grecque ne brilla pas par sa précision avant les travaux d’Hipparque (vers 190 av. J.-C. – vers 120 av. J.-C.), mais innova sur le plan théorique. Deux philosophes, qui ne furent pas à strictement parler des astronomes (en tout cas pas des observateurs), reformulèrent l’objectif de la science astronomique :

– Platon (vers 428 av. J.-C., vers 348 av. J.-C.) qui, dans Le Timée, formule le principe selon lequel on devait rendre compte du mouvement apparent des astres par la combinaison de mouvements circulaires et uniformes.

– Aristote (vers 384 av. J.-C. – vers 322 av. J.-C.) qui, dans le traité Du Ciel, décrit les planètes comme de sphères parfaites dont le mouvement circulaire uniforme est centré sur la Terre.

Cette conception de l’univers, qui fut portée à sa perfection par le mathématicien et astronome Ptolémée au IIe siècle de notre ère, est la première forme de cosmologie scientifique, parce que c’est une discipline mathématisée ayant pour but de décrire la structure de l’ensemble de ce qui existe à partir de la combinaison des mouvements circulaires uniformes des planètes (voir figure 1 ci-dessous).

Mais en 1543, un astronome polonais nommé Nicolas Copernic publie un ouvrage (De la Révolution des orbes célestes) qui bouleverse l’ordre de ce cosmos. En effet, dans cet ouvrage, Copernic propose (en s’inspirant de plusieurs astronomes de l’antiquité comme Aristarque) une conception héliocentrique de l’univers, où ce n’est plus la terre mais le soleil qui est au centre de l’orbite des planètes (voir figure 2). Galilée, le premier savant à avoir observé le ciel à l’aide d’une lunette, contribua aussi à ce bouleversement en décrivant dans Le Messager des étoiles (1611) de nombreuses étoiles qui étaient invisibles à l’œil nu. Si le soleil est au centre de l’orbite des planètes, et qu’il existe un nombre potentiellement infini d’étoiles, alors chaque étoile de la voûte céleste peut être un autre soleil, lui aussi entouré de nombreuses planètes.

L’univers fini et structuré de la cosmologie grecque fut ainsi progressivement abandonné par les savants du XVIIe au cours d’un processus que l’on a appelé par la suite la Révolution scientifique. Dans un ouvrage intitulé Du monde clos à l’univers infini (1957), l’historien des sciences Alexandre Koyré a décrit ce long processus qui mena les scientifiques à passer d’une image de l’univers comme un cosmos fini à un monde sans limites. Il montra non seulement que « la révolution scientifique a commencé dans les cieux », mais aussi et surtout que cet objet fini, structuré et harmonieux qu’est le cosmos disparut progressivement de l’image scientifique du monde.

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FIGURE 1 – L’astronomie et la physique développée à partir du cinquième siècle avant notre ère par les savants de la Grèce antique s’organise dans un modèle d’univers qui a trois caractéristiques principales : il est fini, il a une forme sphérique, il est centré sur la terre (modèle géocentrique) et il est divisé en un monde sublunaire (le monde des quatre éléments) et un monde supralunaire (le monde des planètes et des astres). L’ensemble de l’univers forme, dans ce modèle, une réalité belle et bien organisée : un cosmos.

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FIGURE 2 – Le système copernicien est héliocentrique : cela signifie que le soleil se trouve au centre de l’orbite des planètes. Ce modèle ressemble beaucoup au cosmos sphérique des grecs, ce qui était l’objectif de Copernic. Mais en réalité, en faisant de la terre une planète comme les autres, le système copernicien lui attribue une rotation : la terre tourne sur elle-même en 23 heures et 56 minutes. Au contraire, les étoiles, elles, n’ont pas de mouvement de rotation : elles sont aussi immobiles que le soleil. C’est pourquoi on peut alors penser que chaque étoile est au centre d’un système planétaire similaire au nôtre et que l’univers est composé d’un nombre infini de ces systèmes. C’est l’idée qu’a soutenue le philosophe Giordano Bruno en 1584 dans L’Infini, l’univers et les mondes et pour laquelle il fut condamné au bucher en 1600 à Rome par un tribunal de l’Inquisition.

La cosmologie semblait ainsi être une science révolue, morte et enterrée, qui appartenait au passé, puisque son objet, le cosmos, avait disparu. A la fin du XVIIIe siècle, un philosophe, Emmanuel Kant, a essayé de prouver qu’aucune connaissance scientifique du monde (c’est-à-dire de l’univers) n’était possible. Kant connait bien l’astronomie et les problèmes de cosmologie : en 1755, dans un ouvrage intitulé La Théorie du Ciel, il a défini la notion de galaxie comme un « univers-îles », c’est-à-dire un grand regroupement d’étoiles liées par la gravitation.

Et pourtant, en 1781, dans la Critique de la raison pure, Kant donne un critère pour différencier ce qui est une science de ce qui n’en est pas : un objet de connaissance scientifique est l’objet d’une expérience possible. Une expérience possible est ce qui est représentable sous la forme d’une intuition sensible dans l’espace et/ou dans le temps. Autrement dit : ce que l’on ne peut se représenter dans l’espace et dans le temps, comme dieu par exemple, ne peut pas faire l’objet d’une connaissance scientifique.

Or, d’après Kant, on ne peut pas se représenter le monde dans l’espace et dans le temps, parce que le monde est « l’ensemble de tous les phénomènes ». On ne peut se représenter qu’une petite partie de cet ensemble, comme les étoiles ou les galaxies, mais pas les limites spatiales et temporelles de cet ensemble. Des questions comme « l’univers est-il fini ou infini ? » ou bien « l’univers a-t-il un commencement ou est-il éternel ? » sont donc pour Kant des questions auxquelles la science ne peut pas répondre.

c. Renaissance de la cosmologie scientifique au début du XXème siècle

Une étude scientifique de l’univers redevient possible à partir de 1916, avec l’apparition d’une nouvelle théorie de la gravitation fondée par Albert Einstein : la théorie de la relativité générale.

La grande nouveauté de cette théorie est qu’elle prend le contrepied de la théorie de la gravitation de Newton (mais aussi de la philosophie de Kant) parce qu’elle ne considère pas que l’espace et le temps soient des réalités connaissables a priori mais a posteriori.

Ce qui est connu a priori, c’est ce qui est connu indépendamment de toute expérience. Par exemple, le théorème de Pythagore est une connaissance a priori, parce que l’on n’a pas besoin d’observer des triangles rectangles pour s’assurer de sa vérité : il suffit d’avoir sa démonstration. Ce qui est connu a posteriori, c’est ce qui nécessite une expérience pour être connu. Par exemple, pour savoir si l’ananas a un goût sucré, il faut faire l’expérience de gouter un ananas : on ne peut pas imaginer son goût sans en faire l’expérience.

Pendant longtemps on a cru que toutes les vérités concernant l’espace étaient connues a priori. Par exemple, le fait que le plus court chemin entre deux points soit la droite semble être une vérité dont on pouvait s’assurer sans avoir recours à la moindre expérience. Mais Einstein s’est rendu compte qu’en réalité, la question de savoir si dans l’espace physique (l’espace dans lequel on trouve les corps physiques comme les planètes, les étoiles, les montagnes, etc.) le plus court chemin entre deux points est une ligne droite n’est pas une question à laquelle on peut répondre a priori.

Par exemple, notre soleil affecte la métrique et la courbure de l’espace, c’est-à-dire le déforme comme une orange déforme une nappe de pique-nique sur laquelle elle est posée. Ainsi, aux environs du soleil, le plus court chemin entre deux points n’est plus la droite, mais une courbe : c’est pourquoi les corps qui sont proches du soleil (comme les planètes ou les comètes) semblent « attirés » par le soleil et orbitent autour de lui (voir figure 3).

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FIGURE 3 – Dans la théorie de la gravitation de Newton (à gauche), il existe une force qui fait que deux corps comme la terre et la lune s’attirent en fonction de leur masse (et inversement au carré de leur distance). L’espace est dit « euclidien », c’est-à-dire qu’il est plat et homogène comme un tableau noir sur lequel on trace des figures géométriques. Dans la théorie de la gravitation d’Einstein (à droite), la théorie de la relativité générale, il n’y a pas de force qui attire les corps. Mais chaque corps déforme l’espace en affectant sa courbure, c’est-à-dire que l’espace n’est pas « plat », et sa métrique, c’est-à-dire que l’espace n’est pas « homogène ». Ainsi, la lune orbite autour de la terre non pas parce qu’elle serait « attirée » par celle-ci mais parce qu’elle se trouve dans un espace où les géodésiques (le plus court chemin entre deux points) sont des courbes.

Avec la théorie de la relativité d’Einstein, l’espace (et le temps) est devenue une réalité relative, qui dépend des corps qui occupent cet espace. L’espace-temps n’est plus une scène sur laquelle viendrait prendre place les corps : c’est un champ engendré par les corps qui s’y trouvent. C’est donc un objet expérimental qui peut être étudié comme n’importe quel autre champ physique, comme le champ électromagnétique produit par un aimant par exemple.

Comme on l’a vu plus haut, la cosmologie a pour objet la structure globale des phénomènes physiques, leur organisation générale, et non chaque phénomène pris individuellement. Or la structure globale des phénomènes physiques est l’espace-temps.

Ainsi, lorsque l’espace-temps est devenu un objet de science expérimentale, il est redevenu possible de porter un regard global sur l’ensemble des phénomènes physiques. Ce n’est donc pas un hasard, mais une nécessité logique qui a amené Einstein, à peine un an après avoir formulé la théorie de la relativité générale, à s’intéresser à ses conséquences cosmologiques. Avec une telle théorie, pouvait à nouveau se poser la question de la forme de l’univers en se demandant : quelle est la structure globale de l’espace-temps ?

Le premier grand succès de la cosmologie, la mise en lumière de l’expansion de l’univers, montre comment ce changement de statut de l’espace-temps a refait du cosmos un objet d’étude scientifique. A partir des années 1910, les astronomes se rendent compte d’un phénomène étrange : toutes les galaxies (sauf la galaxie d’Andromède) semblent s’éloigner de nous. Plus étonnant encore, comme l’a remarqué l’astronome Edwin Hubble en 1929, elles semblent s’éloigner de nous d’autant plus rapidement qu’elles sont loin de notre galaxie (la voie lactée), comme si notre galaxie était au centre d’une explosion (voir figure 4). Cette observation était très étrange, et difficile à expliquer, d’autant que certaines galaxies très lointaines semblent nous fuir avec une vitesse proche de celle de la lumière.

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FIGURE 4 – A partir des observations de l’astronome Vesto Slipher dans les années 1910 jusqu’à celles de Edwin Hubble en 1929, on se rend progressivement compte que les galaxies s’éloignent de la voie lactée, la notre. Hubble, utilisant une méthode mise au point par Henrietta Leavitt, arrive à mesurer la distance de ces galaxies. Il se rend compte que la vitesse d’éloignement des galaxies est proportionnelle à leur distance, autrement dit que plus une galaxie est lointaine, plus elle semble s’éloigner vite. C’est ce que représente la relation qui porte son nom : v = H.d, où v est la vitesse d’éloignement de la galaxie, d sa distance, et H la constante de Hubble.

C’est Georges Lemaître, un cosmologiste belge et véritable père fondateur de la cosmologie moderne, qui le premier trouva une explication de cette fuite des galaxies. Dès 1927, soit deux ans avant la découverte de Hubble, Lemaître fit paraître, un article fondamental décrivant un modèle d’univers dynamique.

Dans un univers dynamique, l’échelle de l’univers elle-même est en mouvement. Ou, pour le dire comme Lemaître, le rayon de l’univers n’est pas constant. Les corps s’éloignent ou se rapprochent même s’ils ne sont pas accélérés, car la dimension d’espace elle-même est en évolution.

Pour se représenter cela, on peut imaginer l’espace comme une grille (voir figure 5). A chaque intersection de cette grille se trouve un point de l’espace qui peut être occupé par un corps. Dans un univers statique, la distance entre chacun de ces points reste toujours la même. Par contre, dans un univers dynamique, la grille se dilate (ou se contracte), c’est-à-dire que la distance entre chaque intersection augmente (ou rétrécit). Donc les corps qui se trouvent sur les intersections de cette grille s’éloignent (ou se rapprochent) même s’ils n’ont aucun mouvement les uns par rapport aux autres.

Ainsi, la fuite des galaxies trouve une explication simple et élégante : les galaxies s’éloignent de nous non pas parce qu’elles sont animées d’une vitesse propre, mais parce que tous les points de l’univers s’éloignent les uns des autres à cause de l’expansion continue de l’espace-temps. Si les galaxies paraissent s’éloigner d’autant plus vite qu’elles sont plus lointaines, c’est parce que chaque unité de distance qui nous en sépare s’élargit au cours de cette expansion, et non parce que nous serions au centre d’une explosion (voir figure 5).

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FIGURE 5 – L’explication de la fuite des galaxies par Georges Lemaître est la suivante. Supposons que les galaxies sont disposées sur une grille représentant l’espace, et que chaque segment de cette grille est en expansion entre t=0 et t=1. Entre ces deux instants, la galaxie C s’est plus éloignée de la galaxie A que la galaxie B, parce qu’elles sont séparées de trois segments, alors que A et B ne sont séparées que de deux segments. Chaque segment augmentant d’une même grandeur entre t=0 et t=1, un observateur placé en A aura l’impression que la galaxie C fuit plus vite de lui que la galaxie B puisqu’en un temps égal elle s’est plus éloignée. Pourtant A n’est pas au centre de la grille. Ainsi, même un observateur qui n’est pas au centre de l’univers observe une vitesse de fuite des galaxies proportionnelle à leur distance.

Ainsi la cosmologie moderne, fondée sur la théorie de la relativité générale d’Einstein, a permis d’expliquer (et même de prédire) de manière directe, simple et élégante la fuite des galaxies. C’est son premier succès scientifique, et à partir de cette date la cosmologie a été considérée comme une science comparable aux autres branches de la physique et de l’astronomie. Le cas de la cosmologie illustre parfaitement la thèse du philosophe des sciences Gaston Bachelard dans un texte intitulé « Critique préliminaire du concept de frontière épistémologique » (1936) : il est impossible de déterminer à l’avance, par des arguments philosophiques comme ceux de Kant, quelle connaissance scientifique est impossible.

Aujourd’hui, la cosmologie scientifique est capable de donner une image de l’univers cohérente, fondée sur nos connaissances scientifiques. C’est cette image et ses enjeux philosophiques que l’on décrit dans la section suivante.


2. La théorie du big bang et la question des origines

a. La théorie du big bang versus la théorie de l’état stationnaire

À partir des années 1930, on sait, grâce aux travaux de Lemaître et de Hubble, que l’univers est en expansion. On se pose donc les questions suivantes : qu’est-ce qui cause cette expansion ? qu’est-ce qu’il y avait au début de cette expansion ? Est-ce que, si l’on remonte le temps, l’univers était de plus en plus condensé ?

En 1948, deux théories rivales sont formulées pour répondre à ces questions. La première est la théorie de l’état stationnaire, formulée par trois scientifiques de Cambridge : Hermann Bondi, Thomas Gold et Fred Hoyle. Pour les partisans de cette théorie, l’univers est en expansion, mais même si son volume augmente au cours du temps, il a toujours la même densité, parce qu’il y a une création continue de matière (voir figure 6).

La deuxième est la théorie de la nucléosynthèse primordiale, formulée par trois scientifiques américains : Robert Herman, George Gamow et Ralph Alpher. Pour les partisans de cette théorie, comme l’univers est en expansion, cela signifie qu’il était, par le passé, beaucoup plus dense et chaud qu’aujourd’hui. On peut même remonter à une époque où l’univers était tellement chaud qu’il devait s’y produire des réactions de fusions thermonucléaires, comme au cœur des étoiles ou lors de l’explosion d’une bombe A (voir figure 6). C’est pour se moquer de cette théorie de la nucléosynthèse primordiale que Fred Hoyle inventa, en 1950, le nom de « théorie du big bang », expression qui malgré son ironie a fini par désigner la théorie de la nucléosynthèse primordiale.

C:\Users\Gauvain Leconte\Google Drive\Thèse\Articles et Interventions\2016 Encyclopédie Philosophique\Cosmologie (GP)\steady_state_big_bang.jpg FIGURE 6 – En haut : la théorie de la nucléosynthèse primordiale (dite du big bang) conçoit un univers en expansion dont la densité décroit avec le temps. Cela signifie que si l’on remonte le temps, on arrive à un moment où l’univers était suffisamment dense (et donc chaud) pour que des réaction thermonucléaires aient lieu. C’est cet état de l’univers que l’on appelle le « big bang ».

: la théorie de l’état stationnaire, aujourd’hui considérée comme réfutée, concevait un univers en expansion, mais avec une création continue de matière qui compensait cette expansion, ce qui fait que la densité de l’univers restait constante au cours du temps.

La théorie de l’état stationnaire a beaucoup été critiquée par les astronomes et les physiciens, qui y voyaient une théorie fondée sur une hypothèse absurde, qui viole tous les principes de la physique : la création continue de matière. Ce qui est intéressant, c’est que pour répondre à ces critiques, Bondi, Gold et Hoyle utilisèrent les arguments d’un philosophe des sciences, Karl Popper.

Dans La Logique de la découverte scientifique (1934), Popper soutient qu’aucune théorie scientifique ne peut être logiquement fondée sur des observations ou des expériences. En effet, on fait toujours une observation ou une expérience sur un objet particulier : par exemple une étoile, ou une galaxie. Par contre, les théories scientifiques comportent des lois universelles : elles décrivent comment se comportent toutes les étoiles, ou tous les corps qui ont une masse. Le passage d’observations à des lois théoriques, que l’on appelle l’induction, est donc une inférence de cas particuliers à des énoncés universels. Or une telle inférence n’est pas logique : on ne peut pas déduire de l’observation d’un ou même de plusieurs cygnes blancs que tous les cygnes sont blancs par exemple. On voit facilement pourquoi : même si on observe un très grand nombre de cygnes blancs, cela n’empêche pas qu’il existe des cygnes d’autres couleurs et que le prochain que l’on rencontrera sera noir (c’est ce qui est d’ailleurs arrivé aux explorateurs qui ont découvert des cygnes de cette couleur en Australie).

Puisque les théories scientifiques ne sont pas fondées sur l’induction à partir d’observations, Popper admet que les scientifiques puissent imaginer les hypothèses que l’on veut, aussi farfelues soient-elles, comme l’hypothèse d’une création continue de matière. La seule condition à respecter pour qu’une hypothèse soit scientifique et qu’elle fasse progresser la science d’après Popper, est que cette hypothèse ait des conséquences qui puissent être soumises à des observations ou à des expériences, c’est-à-dire que l’on puisse tirer de cette hypothèse des prédictions. S’il est possible d’imaginer certaines circonstances expérimentales qui pourraient réfuter ces prédictions, alors ce sont des hypothèses scientifiques.

Par exemple, l’hypothèse selon laquelle Dieu est la cause de tout ce qui arrive n’est pas réfutable. En effet, on ne peut imaginer aucune preuve du contraire, puisque chacune de ces preuves peut avoir été créée par Dieu. Cette hypothèse n’est donc pas réfutable, ce qui signifie pour Popper qu’elle n’est pas scientifique.

À l’inverse, l’hypothèse selon laquelle il y a une création continue de matière est bien une hypothèse réfutable, puisque l’on peut en tirer des conséquences observables. Par exemple, d’après la théorie de l’état stationnaire, l’univers devrait avoir toujours la même densité, et donc présenter toujours le même aspect. Or, en astronomie, plus on observe une région éloignée de l’univers, plus cette région est ancienne. En effet, la lumière n’a pas une vitesse instantanée, donc elle met plus de temps à nous parvenir des objets lointains que des objets proches. Par exemple, le soleil est à une distance de 1,5 millions de kilomètres de la terre, distance que la lumière met huit minutes à parcourir. Lorsqu’on regarde le soleil, on le voit donc tel qu’il était il y a huit minutes. De même, lorsqu’on regarde une galaxie qui est à 5 milliards d’années-lumière de distance, on la voit telle qu’elle était il y a cinq milliards d’années.

Ainsi, la théorie de l’état stationnaire est bien une théorie réfutable, puisqu’il suffit de regarder des objets lointains pour observer l’univers quand il était plus jeune, et ainsi observer s’il avait la même densité qu’aujourd’hui. Bien évidemment, c’est plus simple à dire qu’à faire, parce qu’observer des objets à des distances de plusieurs millions voir milliards d’années-lumière et mesurer leur distance demande d’énormes télescopes, des moyens techniques importants et des astronomes habiles et astucieux. Mais dès les années 1960 des preuves commencèrent à s’accumuler contre la théorie de l’état stationnaire. Par exemple, en 1963, l’astronome étatsunien Maarten Schmidt découvrit un nouveau type d’astre, qu’il baptisa des quasars (on sait aujourd’hui qu’il s’agit de noyaux galactiques très massifs), qui sont à la fois très lumineux et très lointains. Cela réfute l’hypothèse de la théorie de l’état stationnaire selon laquelle l’univers a toujours eu le même aspect, puisque les quasars n’existent que dans l’espace lointain, c’est-à-dire à une ancienne époque de l’univers.

Mais c’est surtout la découverte en 1965 du fond diffus cosmologique qui acheva de réfuter la théorie de l’état stationnaire. Le fond diffus cosmologique est la « première lumière de l’univers » : de même qu’une personne emportée par une foule ne peut s’en échapper parce qu’elle percute d’autres personnes, lorsque l’univers était très jeune, il était si dense que la lumière n’était pas capable de s’échapper de la matière, elle était en permanence émise puis absorbée par les atomes qui l’environnait. Mais environ 400 000 ans après le big bang, la densité de l’univers est devenue suffisamment faible pour que les photons (les particules qui composent la lumière) puissent s’échapper de la matière et parvenir jusqu’à nous. Ce rayonnement peut être observé aisément : il suffit de régler une ancienne télévision entre deux chaînes pour voir des parasites dont certains sont causés par cette première lumière de l’univers. Mais ce n’est pas avant 1965 que l’on reconnu ce rayonnement comme étant ce qu’il est, c’est-à-dire une lumière émise par l’univers lorsqu’il était bien plus dense et chaud qu’aujourd’hui. Cette observation va directement à l’encontre des prédictions de la théorie de l’état stationnaire.

Cette observation seule ne suffit pas à vérifier la théorie du big bang, mais elle suffit à réfuter la théorie de l’état stationnaire (du moins dans sa première version). C’est une bonne illustration de la manière dont fonctionne le progrès scientifique d’après la philosophie de Popper : les scientifiques n’accumulent pas des observations et des expériences scientifiques pour confirmer des hypothèses parce qu’il est impossible (comme on l’a vu) de prouver définitivement une hypothèse scientifique. Par contre, les scientifiques font des expériences et des observations pour réfuter certaines hypothèses : nos hypothèses valides ne sont que celles qui n’ont pas encore été réfutées, mais qui le seront probablement dans le futur, laissant ainsi la place à de meilleures hypothèses qui expliquent et prédisent plus de phénomènes.

b. Big bang et création

L’exposition de la théorie du big bang permet de revenir sur une idée reçue selon laquelle le big bang serait la création de l’univers. La création peut avoir plusieurs sens mais le plus souvent, on confond le big bang avec une création ex nihilo, comme si la matière de l’univers était apparue à partir de rien (voir article création). En réalité, comme on vient de le voir, le terme de big bang ne désigne pas l’apparition de l’univers et de sa matière : si une telle apparition a existé un jour, elle est hors de portée de nos instruments et de nos théories scientifiques. L’argument de Kant (voir section 1) selon lequel on ne peut pas connaître les limites de l’univers est toujours valide, et il faut souligner que l’instant initial au cours duquel serait apparu l’univers n’est pas un objet de recherche scientifique sérieuse. Ce que désigne le terme big bang, c’est cet état de l’univers où il était suffisamment dense et chaud pour que s’y déroulent des réactions thermonucléaires.

Il est vrai que la théorie du big bang s’est raffinée depuis la découverte du fond diffus cosmologique en 1965. En 1968 par exemple, les mathématiciens Stephen Hawking et George Ellis ont démontré que l’existence du fond diffus cosmologique prouve que l’univers est issu d’une « singularité ». Ce terme, souvent mal compris, semble désigner un état initial de l’univers au cours duquel toute sa matière était concentrée en un point infiniment petit. Mais en réalité, la notion de singularité a un sens bien défini dans le lexique de la relativité générale. Il désigne un point de l’espace-temps où la relativité générale ne fonctionne plus, parce que cette théorie prédit que certaines variables, comme la densité, deviennent infinies. C’est pour cela que les trous noirs sont aussi décrits comme des singularités par les astrophysiciens : les trous noirs sont des objets tellement denses qu’aucun objet (y compris la lumière) ne peut s’échapper de leur champ gravitationnel.

Mais dire que l’univers jeune ou un trou noir est une singularité ne signifie pas que la matière apparaît ou disparait comme par une opération divine. Cela signifie juste que l’on ne dispose pas encore d’une théorie capable de décrire ce qui arrive à la matière à de telles échelles de densité. En effet, il faudrait disposer d’une théorie qui combine à la fois la relativité générale (qui décrit ce qui arrive à des corps suffisamment massifs pour engendrer un champ gravitationnel) et la physique quantique (qui décrit ce qui arrive aux corps à des échelles microscopiques). Or on ne dispose aujourd’hui d’aucune théorie qui combine à la fois la théorie de la relativité générale et la physique quantique, parce que ces deux théories sont, en l’état, incompatibles. Dire que l’univers est issu d’une singularité ne signifie donc pas que l’univers a été créé à partir de rien, mais que l’on ne dispose d’aucune théorie ni d’aucune observation nous permettant de savoir comment l’univers se comporte s’il atteint une certaine densité. Lorsque l’on dit que l’univers a 13,5 milliards d’années, il s’agit, à proprement parler, d’un abus de langage : on devrait dire qu’il s’est écoulé 13,5 milliards d’années depuis l’état le plus ancien de l’univers que l’on puisse connaître. La théorie du big bang n’a donc aucun rapport avec les conceptions religieuses de la création du monde.


3. La cosmologie actuelle et ses enjeux philosophiques

L’image que l’on se fait de l’univers a beaucoup évolué depuis le succès de la théorie du big bang dans les années 1960, notamment grâce à l’utilisation de télescopes spatiaux comme COBE (en 1989) ou Planck (en 2009) qui nous ont permis d’avoir des observations beaucoup plus précises du fond diffus cosmologique, et donc des premiers instants de l’univers. Il n’est pas question ici de passer en revue tous les progrès qu’a effectué la cosmologie ces cinquante dernières années, mais uniquement d’examiner deux théories qui posent des problèmes philosophiques importants.

a. La théorie de l’inflation : une théorie irréfutable ?

Les observations du fond diffus cosmologique ont révélé un phénomène étonnant : lorsque l’univers était encore très dense et très chaud, il était aussi très homogène (il y régnait quasiment la même température partout) et très plat. On a vu dans la première section que d’après la théorie de la relativité d’Einstein, l’espace est courbé par les masses qui existent dans cet espace. Or, on observe que l’univers dans son ensemble a une courbure quasiment nulle, c’est-à-dire qu’il ressemble beaucoup à un espace géométrique euclidien à trois dimensions. Un physicien du nom d’Alan Guth a proposé une hypothèse en 1981 pour expliquer cette homogénéité et cette courbure nulle de l’univers : la théorie de l’inflation. D’après cette théorie, l’univers aurait connu une phase d’expansion exponentielle, c’est-à-dire que sa taille aurait énormément augmenté en quelques fractions de secondes. Comme on le voit sur la figure 7, cette hypothèse permet d’expliquer à la fois que l’univers soit homogène et plat.

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FIGURE 7 – L’inflation est une phase d’expansion rapide et exponentielle de l’univers. Si l’on se représente l’univers comme une sphère dont on ne peut observer qu’une petite partie de la surface, on voit que cette expansion a pour effet de donner l’impression que cette surface est presque plate.

Cette théorie a deux problèmes. Le premier est qu’il n’est pas sûr qu’elle résolve un vrai problème scientifique. Comme on l’a dit, la cosmologie est une science particulière parce que nous n’avons qu’un seul exemplaire d’univers. Or, cela a pour conséquence que l’on ignore complètement si l’on devrait être surpris ou non par le fait que notre univers est homogène et plat. Si l’on observe un chat de couleur verte par exemple, on sait que cela est surprenant, parce que l’on a observé de nombreux autres chats par le passé, et qu’aucun n’était vert. Mais comme nous n’avons jamais observé que notre univers, on ne peut pas faire de comparaisons avec d’autres univers pour montrer qu’il est étonnant qu’il soit homogène et plat. Cela montre qu’une théorie scientifique peut être formulée même s’il n’est pas sûr que ce qu’elle explique existe réellement.

Le deuxième problème de la théorie de l’inflation est qu’il n’est pas sûr qu’elle soit réfutable, c’est-à-dire qu’elle satisfait le critère de Popper selon lequel on doit pouvoir tirer d’une hypothèse des prédictions qui peuvent être mises en échec par des observations pour pouvoir dire que cette hypothèse est scientifique. En effet, si l’inflation a réellement eu lieu, elle s’est déroulée bien avant l’émission du fond diffus cosmologique, la première lumière de l’univers. On ne peut donc pas l’observer directement : on ne peut qu’en voir les effets. Mais il est toujours possible d’ajuster l’hypothèse de l’inflation pour qu’elle rende compte des observations. Les observations du satellite COBE ont par exemple montré en 1991 que le fond diffus cosmologique était un peu moins homogène que ce à quoi on s’attendait. Il a suffit aux partisans de la théorie de l’inflation de modifier légèrement leur hypothèse pour qu’elle produise un modèle d’univers un peu moins homogène. Autrement dit, la théorie de l’inflation fonctionne comme un moteur dont on peut ajuster la vitesse en fonction du type de route sur lequel on se trouve : on est donc sûr de ne jamais tomber sur une route où le moteur ne marchera pas.

Mais alors, pourquoi les scientifiques continuent-il à travailler sur la théorie de l’inflation si elle n’est pas réfutable et qu’il n’est même pas sûr qu’elle réponde à un vrai problème scientifique ? La réponse à cette question est probablement que l’idée de Popper selon laquelle seules les théories réfutables méritent d’être étudiées par les scientifiques n’est pas complètement vraie. En effet, même si la théorie de l’inflation est une théorie irréfutable, elle est très féconde, c’est-à-dire qu’elle permet d’expliquer des phénomènes qu’aucune autre théorie actuelle n’arrive à expliquer. L’exemple le plus frappant de phénomène que seule la théorie de l’inflation arrive à expliquer est l’existence des galaxies et des amas de galaxies. La théorie de l’inflation suppose en effet que l’espace de l’univers a été énormément étiré en quelques fractions de secondes. Or, la physique quantique, qui examine le comportement des particules à des échelles microscopiques, affirme qu’au niveau des atomes, il existe des perturbations appelées « fluctuations quantiques du vide ». Ces fluctuations arrivent en permanence, mais elles restent d’ordinaire localisées à une échelle trop petite pour avoir des conséquences observables. Mais, pendant de la phase d’inflation de l’univers, ces fluctuations ont pu être suffisamment étirées par l’expansion de l’univers, pour avoir des effets observables : elles ont créé des perturbations dans la matière de l’univers que l’on peut observer dans le fond diffus cosmologique. Par la suite, ces perturbations ont créé des zones de l’univers où la matière était rassemblée (ce sont les galaxies) et d’autres où la matière était absente (ce sont les régions intergalactiques). Pour prendre une image, on peut voir l’inflation comme ce qui a transformé de petites vaguelettes en d’immenses vagues : au creux de ces vagues la matière s’est rassemblée (sous l’influence de la gravitation) et a formé des galaxies, au sommet de ces vagues la matière s’est dispersée et n’a laissé que du vide.

La théorie de l’inflation a donc permis de mieux comprendre, dans les années 1990-2000, comment se sont formées les galaxies que l’on observe actuellement. L’histoire de cette théorie montre que les scientifiques n’excluent pas forcément une théorie de leurs recherche parce qu’elle est irréfutable : elles et ils recherchent avant tout des théories qui peuvent fournir un cadre formel et mathématique pour expliquer et prédire des phénomènes encore mal compris.

b. Le principe anthropique et la théorie du multivers

Une autre spécificité de la cosmologie comme science est, on l’a vu, que nous sommes à l’intérieur de l’univers, c’est-à-dire que les observateurs font partie du système qu’ils observent. Par conséquent, notre univers est adapté à notre existence : il existe des étoiles qui fournissent de la lumière et de l’énergie, des planètes avec des atmosphères où peuvent se développer des êtres vivants, des molécules complexes qui peuvent se combiner pour former des tissus organiques, etc. C’est ce que l’on appelle le principe anthropique : notre univers a des caractéristiques qui permettent l’apparition d’êtres vivants capables de l’observer.

Ce principe peut sembler n’être qu’une banalité, la constatation d’un fait. La controverse sur le statut du principe anthropique illustre à nouveau la spécificité de la cosmologie : comme nous n’avons qu’un seul exemplaire d’univers, il est difficile de savoir s’il est réellement surprenant ou non que les caractéristiques de notre univers soient telles que la vie intelligente ait pu y apparaître. Mais certains scientifiques trouvent ce fait très étonnant. En effet, si l’on regarde certaines constantes physiques de notre univers, elles semblent avoir été fixées précisément pour permettre l’apparition d’êtres vivants. Dans notre univers, G par exemple, la constante de gravitation qui apparaît dans les équations de la relativité générale, vaut approximativement 6,67384.1011m3.kg-1.s-2. Mais si elle était légèrement différente de cette valeur, alors la force de gravitation serait soit trop faible, et n’aurait pas permis la formation des étoiles, soit trop forte, et aurait créé des étoiles si massives qu’aucune planète n’aurait pu abriter la vie.

Certains cosmologistes, comme John Barrow dans les années 1980 ou Trinh Xuan Thuan dans les années 2000, considèrent que le principe anthropique est ainsi la preuve que les constantes physiques de notre univers ont été fixées (par un être intelligent ou une force physique inconnue) dans l’objectif de faire apparaître des êtres vivants capables d’observer l’univers. C’est ce que l’on appelle le principe anthropique fort, parce que l’on suppose que l’univers est guidé par une intention, ou une fin, qui est l’apparition d’observateurs. On imagine bien comment cette conception a pu être comprise et récupérée par des discours religieux, mystiques ou métaphysiques.

Pour éviter cette conclusion, d’autres cosmologistes (dont Brandon Carter en 1974, Aurélien Barrau, Lee Smolin ou Leonard Susskind dans les années 2000) ont développé une autre conception du principe anthropique, dit « principe anthropique faible ». Pour eux, tout ce qu’énonce le principe anthropique, c’est que nous existons dans une région de l’univers qui se trouve être adaptée à la vie intelligente, sans pour autant conclure que toutes les régions de l’univers sont ainsi.

Le principe anthropique faible amène donc logiquement à formuler une autre hypothèse, que l’on appelle la théorie du multivers. D’après cette théorie, il n’existerait pas un univers dans lequel règneraient les mêmes lois physiques d’un bout à l’autre de l’espace, mais plusieurs univers (peut-être une infinité), ayant chacun des lois et des constantes physiques différentes. Parmi tous ces univers, certains seraient adaptés à la vie, et d’autres non : nous nous trouverions seulement dans un de ces univers qui est bien adapté à l’apparition d’êtres intelligents tels que nous. C’est pourquoi nous aurions l’impression de nous trouver dans un univers particulièrement bien adapté à la vie intelligente, de même que les poissons qui ont été sélectionnés pour vivre en eaux profondes doivent avoir l’impression que le fond de l’océan est particulièrement bien adapté à leur mode de vie.

Le problème est que la théorie du multivers ne semble pas réfutable, puisqu’aucune observation faite dans notre univers ne peut réfuter que cet univers fait partie d’un ensemble plus grand composé de plusieurs univers. On peut tirer des prédictions de la théorie du multivers, que l’on appelle des prédictions anthropiques, mais ces prédictions ne font pas l’unanimité : de nombreux cosmologistes comme George Ellis considèrent que ce sont de simples « tests de cohérence » qui visent à montrer qu’il est possible que nous vivions dans un multivers, mais pas que c’est le cas.

Il est aussi possible que, dans un futur proche, l’existence du multivers soit prouvée comme une conséquence de nouvelles théories physiques (la théorie des cordes ou la théorie de la gravitation quantique à boucle) mais celles-ci n’ont pas pu pour l’instant être soumises à des tests empiriques.

On a vu que la théorie de l’inflation, bien qu’elle ne semble pas réfutable, a pu s’imposer comme une théorie sérieuse parce qu’elle est extrêmement féconde pour comprendre l’apparition des structures galactiques. On peut espérer qu’un jour la théorie du multivers soit aussi féconde, mais ce n’est pas actuellement le cas. Elle n’explique ni ne prédit aucun autre phénomène que ce pourquoi elle a été construite, c’est-à-dire répondre au problème soulevé par le principe anthropique.

C’est pourquoi cette théorie continue à être regardée, par la plupart des cosmologistes, comme une spéculation philosophique plutôt que comme une spéculation scientifique. Seuls les futurs progrès de la cosmologie pourront déterminer si cette spéculation s’avérera payante.


Conclusion

Malgré son statut très particulier, ou peut-être grâce à ce statut, la cosmologie est une science très intéressante à étudier sous un angle philosophique. Non seulement elle éclaire sous un nouveau jour des questions fondamentales telles que « quelle est notre origine ? » ou « quelle est la place de l’être humain dans la nature ? », mais, en plus, elle offre à la philosophie des sciences des cas concrets où les problèmes du choix des hypothèses, de la démarcation entre science et nonscience ou du progrès scientifique, se sont posés avec une telle urgence qu’ils ont fait l’objet des débats des scientifiques eux-mêmes. Ces débats ont permis à la cosmologie scientifique moderne de devenir, en à peine un siècle d’existence, une science mature, intégrée aux autres branches de la physique, et à l’origine de nombreuses découvertes qui ont révolutionné notre conception de l’univers.


Bibliographie

Il existe de nombreux ouvrages de vulgarisation de la cosmologie sur le marché, de qualité très variable. En français, et avec le moins de formalisme mathématique possible, on peut lire le chapitre consacré à la cosmologie de l’ouvrage de Séguin et Villeneuve, Astronomie et astrophysique : cinq grandes idées pour explorer et comprendre l’Univers (2002), chez De Boeck.

Pour une approche historique des origines de la cosmologie scientifique au XXe siècle, A. Friedmann, G. Lemaître : Essais de Cosmologie (1997) au Seuil, regroupe des textes fondateurs de la cosmologie, édités et préfacés par Jean-Pierre Luminet.

En anglais, avec un niveau de mathématique de Terminale S, l’excellent An Introduction to Modern Cosmology (2009) de l’écossais Andrew Liddle, chez Wiley, est une des présentations les plus pédagogiques de la cosmologie scientifique.

Enfin, pour une excellente histoire de la cosmologie de l’antiquité à nos jours, l’ouvrage d’Helge Kragh, Conceptions of cosmos : From Myths to the Accelerating Universe : A History of Cosmology (2013), aux presses universitaires d’Oxford est à recommander.

Gauvain Leconte
Université Paris Panthéon Sorbonne
gauvainleconte@gmail.com