Une brève histoire du temps

« D’où vient l’univers, et où va-t-il ? » Questions presque autant physiques que métaphysiques, et dont les réponses évoluent au fil du temps… Aristote, dès 340 av. J.-C., avance de solides arguments en faveur d’une Terre sphérique plutôt que plate. Mais il la pense immobile, les planètes, la Lune et le Soleil tournant autour. Développant cette idée, Ptolémée aboutit, au IIe siècle av. J.-C., à un système cosmologique dans lequel la Terre se trouve au centre.

En 1514, une tout autre conception est énoncée par Copernic : le Soleil est immobile au centre de l’Univers, les planètes décrivant des orbites circulaires autour de lui. Et c’est en 1609 que Galilée, observant le ciel nocturne grâce à sa lunette, porta un coup fatal à la théorie d’Aristote et de Ptolémée : il observa plusieurs lunes tournant autour de Jupiter. Cela laissait supposer que tout ne tournait pas obligatoirement autour de la Terre elle-même.

Kepler, modifiant l’hypothèse de Copernic, démontre quant à lui que les orbites des planètes autour du Soleil sont elliptiques, ne formant pas des cercles mais suivant une trajectoire ovale. On peut, selon lui, expliquer ce mouvement par des forces magnétiques. Plus tard, en 1687, Newton présente sa théorie pour expliquer comment les corps se meuvent dans l’espace et le temps et propose surtout sa loi de la gravitation universelle selon laquelle, « tout corps dans l’Univers est attiré par tout autre corps selon une force d’autant plus grande que les corps sont plus massifs et proches ».

En voulant expliquer comment est régi l’Univers, Stephen Hawking révèle les secrets des lois physiques qui gouvernent le monde dans le domaine de l’infiniment grand : mouvements, lumière, et espace-temps…

Aristote défend que les corps possèdent un état au repos, ou qu’un corps lourd doit tomber plus vite qu’un corps léger. Les travaux fondamentaux de Galilée et Newton démontrent que tel n’est pas le cas, et notamment qu’un corps accélère de façon proportionnelle à l’intensité de la force. Ces théories impliquent l’absence d’une norme absolue de repos. Comme Aristote, Newton croit toutefois en un temps absolu.

Il fut par la suite démontré que la lumière a une vitesse finie, fixe, alors que jusqu’alors on la pensait infinie. En 1865, Maxwell réussit à unifier les théories décrivant les forces de l’électricité et celles du magnétisme. Il prédit que la lumière se propage sous forme d’onde, à une vitesse donnée. Selon sa longueur d’onde, c’est-à-dire la distance entre la crête d’une onde et la suivante, il peut s’agir d’ondes radio ou d’ondes centimétriques (de quelques centimètres) ou encore infrarouges (plus d’un dix millième de centimètre). Des longueurs d’onde plus faibles que celles de la lumière visible correspondent, elles, à l’ultraviolet, aux rayons X ou encore aux rayons gamma.

La compréhension de l’Univers, ne pouvant s’expliquer en totalité par la physique de l’infiniment grand, a conduit à orienter les recherches vers les théories de l’infiniment petit. D’où l’éclairage apporté ici sur la composition de la matière, qui constitue l’Univers aussi bien que l’homme.

La conception « atomiste » est invoquée dès l’Antiquité par Démocrite, selon lequel la matière serait composée de petites particules. Sa théorie se révèle exacte : la matière est en effet constituée d’atomes, eux-mêmes faits d’un noyau autour duquel gravitent des électrons. La réalité est encore plus complexe, et les électrons, notamment, occupent certaines orbites spécifiques autour du noyau. Les noyaux regroupent protons et neutrons, et eux-mêmes constitués chacun de trois quarks. Les quarks seraient les ultimes particules élémentaires de la matière, indivisibles…

Le déterminisme de Laplace – persuadé, comme les savants du début du XIXe siècle, que les lois physiques permettaient de prédire l’ensemble des événements se produisant dans l’Univers – est mis à mal au début du XXe siècle. Car l’imprévu s’immisce : on ne peut déterminer la position des particules de façon précise. Si l’on émet une onde de lumière afin de déterminer leur position, plus on aura de précision sur leur vitesse, moins on en aura sur leur position… Et inversement. Les particules ont donc un état quantique, et pas un état unique : il existe pour les décrire plusieurs résultats possibles et différents. C’est ce qui fut appelé le « principe d’incertitude » d’Heisenberg, auquel Einstein lui-même n’était pourtant pas favorable, affirmant, selon son célèbre adage que « Dieu ne joue pas aux dés ».

Pour Stephen Hawking, « l’ultime but de la science est de fournir une théorie unique qui décrive l’Univers dans son ensemble ».

Il y a, pourtant, d’un côté les lois de la physique qui nous disent comment l’Univers évolue avec le temps, et de l’autre la question de son état initial : problème que certains estiment du ressort de la métaphysique ou de la religion. Les hommes ont toujours voulu savoir pourquoi nous sommes là, et d’où nous venons, souhaitant décrire complètement l’Univers dans lequel nous existons.

La grande unification de la physique devrait donc être capable de réunir en une seule théorie la relativité générale (infiniment grand) et la mécanique quantique (infiniment petit). Pour l’instant, les scientifiques n’y sont pas encore parvenus. La théorie des cordes est une tentative pour réussir cette unification. Selon ce modèle les particules ne sont donc plus envisagées comme des points mais sont désormais présentées comme des cordes ou des ondes voyageant le long d’une corde et qui vibreraient dans dix, voire même vingt-six dimensions…

Autre point fondamental pour décrire l’Univers : celui des singularités. C’est-à-dire le fait que, dans certaines conditions, en raison de la force de gravité, la matière se rapproche de plus en plus, à tel point qu’elle devient immensément dense… Deux types de singularités ont été décrits : les trous noirs et le Big Bang.

Le Big Bang, on l’a vu, est le point initial de l’Univers, si tant est qu’il puisse y avoir un commencement à l’Univers – question également métaphysique, qui pose aussi la question du créateur, ou de Dieu, mais aussi de ce qu’il y avait avant ou non, ou encore celle de la naissance du temps. Ce point était si dense que toute la matière du futur Univers était contenue dans un point de taille plus qu’infinitésimale !

Autre type de singularité : les trous noirs, objets de recherche de prédilection de Stephen Hawking. Ceux-ci seraient dus à la mort des étoiles. À la fin de leur vie, quand elles ne disposent plus d’assez de gaz pour briller, la gravitation qui les faisait tenir finit par l’emporter : les étoiles s’effondrent sous l’effet de la gravitation pour ne former qu’un point très dense. La force y est telle qu’aucun grain de matière ou de lumière ne peut plus s’échapper de ces trous noirs ainsi formés. Des calculs démontrent toutefois que ces trous noirs émettent des particules et du rayonnement, comme un corps chaud.

Une autre explication à la présence de l’Univers et ses particularités physiques consiste aussi, parfois, à la formuler en termes de principe anthropique : c’est-à-dire, par le fait que l’homme est présent à l’intérieur, tout en étant capable d’en trouver les lois et d’en expliquer les principes.

Une interrogation demeure, évidemment, sur la présence d’un créateur, sur l’intervention divine ou non dans cette création qui a rendu la vie de l’homme possible, et son intelligence capable d’en rendre compte. Le mystère reste entier, où et comment l’Univers a-t-il été mis en mouvement ?

Ouvrage recensé

– Une brève histoire du temps. Les grandes théories du cosmos : du Big Bang aux trous noirs, Paris, J’ai lu, 2007 [1988].