29.7 : Le principe anthropique

Objectifs d'apprentissage

À la fin de cette section, vous serez en mesure de :

• Citez certaines propriétés de l'univers qui, si elles étaient différentes, auraient empêché le développement de l'homme

Malgré nos incertitudes, nous devons reconnaître que le tableau que nous avons dressé sur l'évolution de notre univers est remarquable. Grâce aux nouveaux télescopes, nous avons commencé à recueillir suffisamment de preuves observationnelles pour pouvoir décrire l'évolution de l'univers à peine une fraction de seconde après le début de l'expansion. Bien qu'il s'agisse d'une réalisation impressionnante, il existe encore certaines caractéristiques de l'univers que nous ne pouvons pas expliquer. Et pourtant, il s'avère que si ces caractéristiques étaient différentes, nous ne serions pas là pour poser des questions à leur sujet. Examinons certains de ces « accidents chanceux », en commençant par les observations du fond diffus cosmique (CMB).

Accidents chanceux

Comme nous l'avons décrit dans ce chapitre, le CMB est un rayonnement qui a été émis lorsque l'univers avait quelques centaines de milliers d'années. Les observations montrent que la température du rayonnement varie d'une région à l'autre, généralement d'environ 10 millionièmes de degré, et ces différences de température signalent de petites différences de densité. Mais supposons que les petites fluctuations initiales de la densité aient été beaucoup plus faibles. Les calculs montrent ensuite que l'attraction de la gravité à proximité d'eux aurait été si faible qu'aucune galaxie ne se serait jamais formée.

Et si les fluctuations de densité avaient été beaucoup plus importantes ? Il est alors possible que des régions très denses se soient condensées, et que celles-ci se soient simplement effondrées directement en trous noirs sans jamais former de galaxies et d'étoiles. Même si les galaxies avaient pu se former dans un tel univers, l'espace aurait été rempli de rayons X et de rayons gamma intenses, et les formes de vie auraient eu du mal à se développer et à survivre. La densité des étoiles au sein des galaxies serait si élevée que les interactions et les collisions entre elles seraient fréquentes. Dans un tel univers, les systèmes planétaires pourraient rarement survivre assez longtemps pour que la vie se développe.

Donc, pour que nous soyons là, les fluctuations de densité doivent être « parfaites », ni trop grandes ni trop petites.

Un autre heureux accident est que l'univers est finement équilibré entre expansion et contraction. Elle se développe, mais très lentement. Si l'expansion avait été beaucoup plus rapide, toute la matière se serait amincie avant que les galaxies ne puissent se former. Si tout s'était développé à un rythme beaucoup plus lent, alors la gravité aurait « gagné ». L'expansion se serait inversée et toute la matière se serait réeffondrée, probablement dans un trou noir : encore une fois, pas d'étoiles, pas de planètes, pas de vie.

Le développement de la vie sur Terre dépend de coïncidences encore plus chanceuses. Si la matière et l'antimatière avaient été présentes initialement dans des proportions exactement égales, alors toute la matière aurait été annihilée et transformée en énergie pure. Nous devons notre existence au fait qu'il y avait un peu plus de matière que d'antimatière. (Une fois que la majeure partie de la matière est entrée en contact avec une quantité égale d'antimatière, transformée en énergie, une petite quantité de matière supplémentaire doit être présente. Nous sommes tous les descendants de cette matière « déséquilibrée ».)

Si les réactions de fusion nucléaire se sont produites à un rythme un peu plus rapide qu'elles ne le sont réellement, au moment de la première boule de feu, toute la matière aurait été convertie de l'hydrogène à l'hélium en carbone et jusqu'au fer (le noyau le plus stable). Cela signifierait qu'aucune étoile ne se serait formée, puisque l'existence des étoiles dépend de la présence d'éléments légers capables de fusionner au stade de la séquence principale et de faire briller les étoiles. De plus, la structure des noyaux atomiques devait être parfaite pour permettre à trois atomes d'hélium de se réunir facilement pour fusionner le carbone, qui est à la base de la vie. Si le processus triple-alpha dont nous avons parlé dans le chapitre sur les étoiles de l'adolescence à la vieillesse était trop improbable, il ne se serait pas formé suffisamment de carbone pour mener à la biologie telle que nous la connaissons. Dans le même temps, la fusion du carbone en oxygène devait être suffisamment difficile pour qu'une grande quantité de carbone puisse survivre pendant des milliards d'années.

D'autres facteurs ont contribué à rendre possible une vie comme la nôtre. Les neutrinos doivent interagir avec la matière au bon rythme, quoique peu fréquent. Les explosions de supernova se produisent lorsque des neutrinos s'échappent du cœur d'étoiles qui s'effondrent, déposent une partie de leur énergie dans l'enveloppe stellaire environnante, puis la font exploser et s'échapper dans l'espace. Les éléments lourds qui sont éjectés lors de telles explosions sont des ingrédients essentiels à la vie sur Terre. Si les neutrinos n'interagissaient pas du tout avec la matière, ils s'échapperaient du cœur des étoiles qui s'effondraient sans provoquer l'explosion. Si les neutrinos interagissaient fortement avec la matière, ils resteraient piégés dans le noyau de l'étoile. Dans les deux cas, les éléments lourds resteraient bloqués à l'intérieur de l'étoile qui s'effondre.

Si la gravité était une force beaucoup plus forte qu'elle ne l'est, les étoiles pourraient se former avec des masses beaucoup plus petites et leur durée de vie serait mesurée en années plutôt qu'en milliards d'années. Les processus chimiques, en revanche, ne seraient pas accélérés si la gravité était une force plus forte, de sorte que la vie n'aurait pas le temps de se développer alors que les étoiles avaient une durée de vie si courte. Même si la vie se développait dans un univers à gravité plus forte, les formes de vie devraient être minuscules, sinon elles ne pourraient pas se lever ou se déplacer.

Ce qui devait être, devait être

En résumé, nous voyons qu'un ensemble spécifique de règles et de conditions dans l'univers a permis à la complexité et à la vie sur Terre de se développer. À ce jour, nous n'avons aucune théorie expliquant pourquoi ce « bon » ensemble de conditions s'est produit. C'est pourquoi de nombreux scientifiques commencent à accepter une idée que nous appelons le principe anthropique, à savoir que les lois physiques que nous observons doivent être telles qu'elles sont précisément parce que ce sont les seules lois qui permettent l'existence des humains.

Certains scientifiques pensent que notre univers n'est que l'un des innombrables univers, chacun ayant un ensemble de lois physiques différentes, une idée que l'on appelle parfois le multivers. Certains de ces univers peuvent être mort-nés et s'effondrer avant qu'une structure ne se forme. D'autres peuvent se développer si rapidement qu'elles restent essentiellement sans relief, sans étoiles ni galaxies. En d'autres termes, il peut y avoir un multivers beaucoup plus vaste qui contient notre propre univers et bien d'autres. Ce multivers (qui existe peut-être dans d'autres dimensions que nous puissions prendre conscience) est infini et éternel ; il génère de très nombreuses régions gonflantes, chacune évoluant vers un univers distinct, qui peut être complètement différent des autres univers séparés. Notre univers est alors tel qu'il est parce que c'est la seule façon dont il pourrait être et d'avoir des humains comme nous pour découvrir ses propriétés et se poser de telles questions.

Le Multivers

Regardez la conférence d'introduction de 2011 sur le multivers et l'inflation cosmique par le Dr Anthony Aguirre de l'Université de Californie, dans le cadre de la série de conférences sur l'astronomie de la Silicon Valley.

Univers multiples et inflation cosmique : la quête pour comprendre notre univers (et en trouver d'autres)

Il est difficile de savoir comment tester ces idées car nous ne pourrons jamais entrer en contact avec un autre univers. Pour la plupart des scientifiques, notre discussion dans cette section se limite à la philosophie et à la métaphysique. Peut-être qu'à l'avenir, notre compréhension de la physique évoluera au point que nous saurons pourquoi la constante gravitationnelle est aussi forte qu'elle l'est, pourquoi l'univers se développe exactement à la même vitesse et pourquoi tous les autres « accidents chanceux » se sont produits, pourquoi ils étaient inévitables et ne pouvaient être autrement. Cette idée anthropique ne serait alors plus nécessaire. Mais personne ne sait si nous aurons un jour une explication pour expliquer pourquoi cet univers fonctionne comme il le fait.

Nous avons parcouru un long chemin dans notre voyage à travers l'univers. Nous avons appris beaucoup de choses sur comment et quand le cosmos est né, mais la question de savoir pourquoi l'univers est tel qu'il est demeure toujours aussi insaisissable.

Résumé

Récemment, de nombreux cosmologistes ont remarqué que l'existence des humains dépend du fait que de nombreuses propriétés de l'univers — l'ampleur des fluctuations de densité dans les premiers temps de l'univers, la force de gravité, la structure des atomes — étaient parfaites. L'idée selon laquelle les lois physiques doivent être telles qu'elles sont parce que sinon nous ne pourrions pas être là pour les mesurer s'appelle le principe anthropique. Certains scientifiques pensent qu'il pourrait y avoir un multivers d'univers, dans lequel le nôtre n'en est qu'un.

Lexique

principe anthropique

idée que les lois physiques doivent être telles qu'elles sont, sinon nous ne pourrions pas être là pour les mesurer

multivers

l'idée spéculative selon laquelle notre univers n'est qu'un univers parmi tant d'autres, chacun ayant son propre ensemble de lois physiques