La physique nous enseigne que, quand un corps accélère, sa masse augmente. Plus sa vitesse est grande et plus sa masse l’est aussi. Un corps qui atteindrait la vitesse de la lumière aurait une masse infinie. C’est dire que la physique actuelle affirme l’impossibilité pour tout corps possédant une masse (si ce n’est pas là un pléonasme) d’atteindre la vitesse de la lumière.
La variation de la masse en fonction de la vitesse a quelque chose qui choque le bon sens. L’idée qu’un sac de plume suffisamment accéléré puisse peser autant qu’un sac de plomb, semble aberrante (a). « Comment le savez-vous ? a-t-on envie de demander aux physiciens. En êtes-vous bien sûrs ? »
Une histoire de photon
On le sait parce que (entre autres choses), l’atome est incompréhensible s’il n’en est pas ainsi. Si l’on ne tient pas compte de la vitesse de l’électron tournant autour de son noyau et du surcroît de masse qui en résulte pour lui, aucun calcul physique n’est plus possible. Toute la théorie de la lumière et des niveaux d’énergie s’effondre. On ne peut plus faire le plan ne serait-ce que d’un poste de télévision.
Mais, s’il est avéré que toute masse devient infinie quand sa vitesse atteint celle de la lumière, il s’ensuit apparemment que le photon, qui est un grain de lumière, a forcément une masse nulle : si elle n’était nulle, elle serait infinie à cause de sa vitesse.
Et, en effet, c’est là ce qu’affirme la physique en l’an 1973 : la masse du photon est nulle (b).
En est-il bien ainsi ?
On va voir que cette petite question, si technique et si limitée en apparence, aboutit à soulever l’un des plus grands problèmes de la métaphysique, celui de l’origine de l’univers. Comme on le sait, le soleil est une étoile. Les étoiles ou soleils sont groupés en galaxies. Notre galaxie, la Voie lactée, compte environ cent milliards de soleils 1 . Il y a des milliards de galaxies dans l’espace visible 2 .
Au début de ce siècle, les astronomes firent une curieuse découverte : les galaxies lointaines semblaient toutes s’éloigner de nous. Les raies de leur spectre était, en effet, régulièrement déplacées en direction du rouge, ce qui, compte tenu d’une propriété de la lumière appelée effet Doppler- Fizeau, indiquait une fuite de la source lumineuse en direction du lointain. En confrontant les mesures de ce rougissement et celles de l’éloignement, l’Américain Hubble aboutit à la stupéfiante conclusion que plus une galaxie est éloignée de nous, plus rapide est sa fuite : l’univers tout entier semble exploser !
Mais s’il explose, cela signifie que jadis il était plus concentré que maintenant. Plus on remonte dans le passé et plus il est concentré. Et comme on connaît la distance des galaxies et leur vitesse, il suffit de diviser la première par la seconde pour calculer le moment où l’univers a commencé d’exploser, c’est-à-dire l’instant de la création !
Tous les astronomes (même matérialistes et athées), pensent actuellement que l’univers a commencé il y a dix ou quinze milliards d’années 3 . Du moins l’univers tel que nous le connaissons avec ses étoiles, ses planètes et leurs habitants.
Telle est la conception admise actuellement par la généralité des astronomes : le rougissement des galaxies lointaines prouve, selon eux, l’expansion de l’univers et son commencement, sinon sa création, il y a une dizaine de milliards d’années.
Cette conception repose tout entière sur une hypothèse, à savoir que le rougissement s’explique par la fuite. On voit que l’instabilité de l’univers (donc sa création dans un passé plus ou moins lointain), ou bien sa stabilité sont jouées à pile ou face par les astronomes sur l’interprétation d’un phénomène unique, le rougissement des astres les plus lointains.
Or, l’interprétation du rougissement repose elle-même sur l’hypothèse que la masse du photon est nulle. Deux savants français, l’astronome Jean- Claude Pecker (c ), et le physicien Jean-Pierre Vigier (d), viennent, en effet, de montrer que si l’on attribue au photon une masse non nulle, alors, inévitablement, il doit perdre une partie de son énergie en rencontrant d’autres photons dans l’espace. L’énergie de la lumière est mesurée par sa fréquence. Si donc le photon perd une partie de son énergie, la fréquence lumineuse à laquelle il est associé baisse : elle se déplace vers le rouge.
Seulement, il n’est pas facile, nous l’avons vu, d’attribuer au photon une masse non nulle ! Comment une masse quelconque, aussi faible soit-elle, peut-elle se déplacer à la vitesse de la lumière sans devenir infinie ? Apparemment, c’est contraire aux certitudes les mieux établies de la physique. Pecker et Vigier le savent bien. Ce ne sont pas des amateurs qui lancent une idée au hasard, sans en voir toutes les implications et les conséquences. Il y a longtemps que Vigier a exposé sa théorie, dont les nouvelles propriétés du photon ne sont qu’un aspect particulier.
Si les faits lui donnent raison, son nom et celui de Pecker resteront attachés à une profonde révolution de la physique. Et ces faits, il semble bien que Pecker y ait mis le doigt dessus. Il a, en effet, avec la théorie de Vigier, expliqué un nombre considérable d’observations jusqu’ici incompréhensibles.
On tisse… puis on défait
Par exemple, on avait remarqué que certaines galaxies voisines (voisines entre elles), ne subissent pas un rougissement identique. C’est impossible, car si elles sont voisines, elles sont à la même distance de nous, si elles sont à la même distance elles s’éloignent à la même vitesse, et si elles s’éloignent à la même vitesse, elles subissent un rougissement identique.
A cela, il ne peut exister qu’une explication : que le rougissement n’est pas dû à la fuite, mais à une autre circonstance. Cette circonstance, Vigier dit que c’est le choc des photons qui se rencontrent. Et Pecker montre que l’observation correspond à la prévision théorique de Vigier.
On peut s’attendre à une belle discussion si d’autres faits viennent obliger les savants à prendre la théorie de Pecker-Vigier en considération. La science est comme la tapisserie de Pénélope : on tisse, puis on défait. Cette fois, il faudra défaire vraiment beaucoup. Soyons assurés qu’avant de défaire, on disputera chaudement. Car toutes les grandes théories en seront atteintes. Il faudrait aménager la relativité et la microphysique. Il faudrait aussi revenir à l’idée d’un univers stable, sans expansion, sans nécessité physique d’un commencement. Quel dommage ! Ce big bang, c’était du grand technicolor. 4
Aimé MICHEL
(a) Le lecteur physicien me pardonnera de confondre ici poids, masse inertielle et masse gravitationnelle la distinction n’est pas nécessaire dans l’exemple cité.
(b) Là encore, le lecteur physicien voudra bien me pardonner de laisser de côté la masse énergétique.
(c) Professeur au Collège de France et directeur de l’Institut d’astrophysique.
(d) De l’Institut Henri-Poincaré.
Les notes de (1) à (4) sont de Jean-Pierre Rospars
(*) Chronique n° 133 parue dans France Catholique-Ecclésia − N°1368 − 2 mars 1973.
- Le texte imprimé était « entre cent et cent milliards » ce qui est manifestement erroné car le nombre d’étoiles de notre galaxie est estimé à une centaine de milliards. La Voie lactée a la forme d’un disque avec un bulbe central d’où émerge des bras en forme de spirale. Les étoiles situées dans le disque sont relativement jeunes (moins de 10 milliards d’années). Les étoiles résidant en dehors du disque et formant autour de lui une sorte de halo sont plus veilles, presque autant que l’univers (13-14 milliards d’années). Notre Soleil est une étoile de 4,55 milliards d’années à peu près à la moitié de sa vie.
- On l’estime également à une centaine de milliards : il y a donc à peu près autant de galaxies dans l’univers visible que d’étoiles dans notre galaxie.
- L’estimation aujourd’hui la plus précise est 13,7 milliards d’années à 140 millions d’années près, alors qu’en 1973, quand Aimé Michel écrivait ces lignes, l’astrophysicien Jean Heidmann estimait que l’âge de l’univers était de 12 milliards d’années à 3 milliards d’années près (Introduction à la cosmologie, Presses Universitaires de France, Paris, p. 61). En une trentaine d’années la précision de la détermination a donc été multipliée par plus de 20. Que l’on puisse désormais connaître l’âge de l’univers à moins de 140 millions d’années près a effectivement de quoi surprendre et susciter le doute (voir aussi la chronique de la semaine dernière)… Dans un monde où l’actualité nous accable quotidiennement par l’étalage des turpitudes et échecs dont l’homme est capable ou victime, il n’est peut-être pas inutile de présenter des exemples où l’humanité se montre sous un meilleur jour et déploie une activité et une ingéniosité propre à susciter espoir et enthousiasme. D’autant moins inutiles que ces exploits passent presque inaperçus et ne semblent guère sortir du cercle étroit des spécialistes concernés et de quelques passionnés. Ils n’ont droit qu’à une brève mention aux actualités du jour, vite oubliée, comme si ce n’était là que jeux sans conséquences et que les seules nouvelles à méditer étaient les errements de la politique et les catastrophes (naturelles ou pas)… Les satellites d’observation du fond du ciel sont un de ces exemples édifiants. Si vous pensez que cet exemple est désespérant de ténuité, jugez plutôt.
L’un de ces satellites s’appelle WMAP. Il est le résultat d’un partenariat entre l’Université de Princeton et le Centre de Vol Spatial Goddard de la NASA. Lancé le 30 juin 2001, il a été arrêté le 20 août 2010 après dix ans de service. WMAP signifie Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, c’est-à-dire Sonde Wilkinson de l’Anisotropie Microonde ce qui n’éclaire guère. Le nom initial de la sonde était Microwave Anisotropy Probe (MAP), mais elle a été rebaptisée en hommage à l’astronome américain David Wilkinson, membre de l’équipe en charge du satellite, décédé le 5 septembre 2002. C’était un pionnier de l’étude du fond diffus cosmologique et WMAP était justement chargé de mesurer ce fond de manière précise. Le fond cosmique est un rayonnement électromagnétique (une lumière) en provenance de toutes les directions du ciel dont la longueur d’onde est de l’ordre du centimètre (ondes dites millimétriques ou microondes). Prédit dès 1948 par George Gamov et ses collaborateurs et découvert en 1965 par Arno Penzias et Robert W. Wilson, on pense qu’il est né 380 000 ans après le Big Bang lorsque l’univers opaque auparavant est devenu transparent avec la disparition des électrons libres et la formation des premiers atomes d’hydrogène par l’union stable d’un proton et d’un électron. Les rayons lumineux ont pu alors se propager librement pour la première fois et ce sont eux que l’on observe aujourd’hui. Ce rayonnement fossile est très uniforme ce qui constitue une excellente raison d’y voir ce qui reste de la chaleur du Big Bang car il est très difficile de concevoir une source locale de radiation qui soit si uniforme. De toutes les explications proposées à ce jour pour en rendre compte seule celle fondée sur une origine cosmique dans un univers primordial dense, chaud et en expansion (« Big Bang ») a réussi à s’imposer. Cependant ce rayonnement n’est pas complètement uniforme : il varie très légèrement lorsqu’on observe des directions différentes du ciel (pour être bref on dit qu’il est anisotrope). Les théoriciens ont montré que ces fluctuations dépendent notamment de la vitesse d’expansion de l’Univers. Les mesures très précises de WMAP ont permis de calculer une valeur de cette vitesse, dite constante de Hubble : 71 kilomètres par seconde et par mégaparsec, à 5 pour cent près (le parsec est une unité de distance qui vaut 3,26 années lumière ; à titre de comparaison l’étoile la plus proche du Soleil, alpha du Centaure est à 1,5 parsec). Autrement dit la distance entre deux points de l’espace situés à 1 Mpc l’un de l’autre s’accroît de 71 km chaque seconde du seul fait de l’expansion de l’univers. Connaissant la distance moyenne actuelle entre les galaxies ont en déduit qu’elles étaient toutes rassemblées au même point il y a 13,7 milliards d’années. Bien d’autres résultats très importants ont été déduits des mesures de WMAP, nous en parlerons une autre fois.
Et les Européens dans tout ça me direz-vous, ils se tournent les pouces ? Pas exactement car ils ont conçu et réalisé le successeur de WMAP. Il a été baptisé Planck en l’honneur du physicien allemand Max Planck qui, en 1900, détermina puis interpréta le rayonnement du corps noir dont le rayonnement cosmologique est la plus parfaite illustration dans la nature. Ce projet, qui résulte de la fusion de deux propositions distinctes, l’une française, l’autre italienne, a été retenu par l’Agence Spatiale Européenne (ESA) en 1996. L’ESA en a confié la maîtrise d’œuvre à Alcatel Space (aujourd’hui Thales Alenia Space) à Cannes Mandelieu sous la direction de Jean-Michel Reix. Une centaine d’entreprises européennes ont contribué à sa réalisation et la NASA y a également collaboré. Planck est un télescope spatial de 1800 kg muni d’un miroir de 1,5 m de diamètre, de deux instruments de détection (LFI et HFI) pour capter deux gammes de longueurs d’onde différentes, et d’un module technique pour fournir l’énergie électrique et pointer le télescope avec précision. Il a fallu 8 ans pour réaliser ces instruments, deux ans pour les tester (2004-2006 à Orsay pour l’instrument HFI), deux ans encore pour tester le satellite entier (2005-2008 à Cannes) dans les conditions du vide spatial à une température de 2,7 Kelvin. Enfin, le 14 mai 2009 Planck est lancé de Kourou en compagnie de son frère Herschel. Le 3 juillet il rejoint sa destination, le second point de Lagrange du système Terre-Soleil. Il s’agit d’un point remarquable autour duquel il est possible de mettre un objet en orbite et qui a l’avantage d’être toujours situé dans l’ombre de la Terre (il doit son nom à son découvreur, Joseph-Louis Lagrange, auteur d’un monumental traité de Mécanique analytique, né à Turin en 1736, qui travailla à Berlin et Paris où il mourut en 1813). Planck est alors l’objet le plus froid lancé dans l’espace, à un dixième de Kelvin seulement du zéro absolu, température nécessaire pour mesurer avec précision les très faibles variations du fond cosmique. En juillet 2010, le satellite achève sa première orbite autour du Soleil (en suivant la Terre) et produit ainsi la première image complète du ciel. Le 27 novembre 2011 la mission prévue est achevée, toutes les régions du ciel ayant été observées deux fois. L’ESA décide alors de poursuivre la mission pendant un an encore car entre temps on a trouvé une nouvelle méthode pour exploiter les données reçues ce qui justifie de maintenir l’équipe de suivi au sol, d’autant que l’hélium des circuits de refroidissement ne sera pas épuisé avant début 2012. Le 11 janvier 2011 une conférence de presse tenue à l’ESA à Paris fait le point de la moisson en cours et présente la première édition d’un catalogue de sources détectées par Planck. Ces sources situées dans les galaxies et en dehors d’elles correspondent aux objets les plus froids de l’univers ; elles émettent des rayonnements « parasites » qu’il est nécessaire de connaître pour accéder au fond cosmique mais elles sont très riches d’enseignements par elles-mêmes. Le plus intéressant est à venir…
Les recherches continuent donc pour tenter de comprendre dans quel étrange univers nous sommes. Faut-il dire dans l’indifférence générale ? Les trains qui arrivent à l’heure n’intéressent personne dit-on. Mais quand ces trains sont la fine pointe de siècles d’efforts patients unissant des milliers d’hommes dans le temps et l’espace ne méritent-ils pas aussi une place dans nos pensées ?
- On voit qu’Aimé Michel aimait bien le Grand Boum mais qu’il était prêt, comme d’habitude, à l’abandonner si nécessaire, c’est-à-dire si les preuves d’une meilleure théorie pouvaient être fournies. A l’époque on en discutait plus que de nos jours. En 1976, dans son livre célèbre Les trois premières minutes de l’univers (trad. J.-B. Yelnik, Seuil, 1978), Steven Weinberg écrivait : « Je ne voudrais pas donner l’impression que cette interprétation du décalage vers le rouge fait l’unanimité. Nous ne voyons pas vraiment les galaxies s’éloigner de nous ; la seule chose dont nous soyons sûrs est que les raies de leurs spectres sont décalées vers le rouge, c’est-à-dire vers les longueurs d’onde plus grandes. Il y a d’éminents astronomes qui doutent que ce décalage ait quoi que ce soit à voir avec l’effet Doppler ou avec l’expansion de l’univers. » (p. 45). Pecker et Vigier étaient de ceux là. Simplement leur théorie a rencontré des difficultés et ne s’est pas imposée. C’est que la théorie de l’univers en expansion fédère un bien plus grand nombre d’observations indépendantes que toute théorie concurrente. Si en matière de théorie il faut toujours se montrer prudent, et d’autant plus prudent que la théorie est plus englobante, il n’en reste pas moins qu’à l’heure actuelle le Grand Boum est ce qu’on fait de mieux.
