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Cosmologie. Le rythme d'évolution de l'univers pourrait ne pas être constant.

La notion de constante de structure fine ou alpha, exprimée par le chiffre 1/137, a été introduite pour la première fois en physique en 1916 par le physicien allemand  Arnold Sommerfeld. Sa définition initiale comme ses modifications ultérieures représentent l'une des questions les plus complexes de la physique.

NB.  Cet article commente des extraits de l'article cité ci-dessous du NewScientist  1)

Il suffit d'indiquer que l'excellent document de Wikipédia, auquel il convient de se référer 2), définit la constante de structure fine  comme le carré du rapport entre la charge élémentaire et la charge de Planck.  Son expression numérique 1/137.036 est la valeur de la constante de structure fine à énergie nulle. Notre logiciel ne nous permettant pas de reproduire les formules mathématiques, nous renvoyons le lecteur à cet article.

Disons seulement que cette constante se retrouve dans tous les phénomènes naturels étudiés par la physique contemporaine, depuis la combustion des étoiles, les processus chimiques, la nature des atomes. Le physicien Richard Feynman disait d'elle « qu'il s'agissait d'un des plus grands mystères de la physique, un nombre magique que nous rencontrons sans savoir à quoi il correspond ».

L'article de Michaêl Brooks que vient de publier le NewScientist du 6 octobre 2018 sous le titre There's a glitch at the edge of the universe that could remake physics approfondit encore le mystère. Il indique que des recherches il est vrai controversées suggèrent que la constante de structure fine n'est pas une constante universelle, mais qu'elle varie en fonction du temps et de l'espace. Si cela était exact, nous devrions revoir entièrement les hypothèses de base concernant la nature de la réalité, c'est-à-dire de tout ce qui existe.

Ce sont des expériences récentes conduites simultanément, concernant tant la nature du cosmos que celle de la matière étudiée dans les laboratoires qui y obligeraient 3). Mais elles ne conduisent à aucune affirmation. Elles sèment seulement un doute sur l'unicité de la constante de structure fine. Peut-être existerait-il d'autres constantes qui devraient être prises en considération. L'idée est déjà ancienne et remonte à Paul Dirac.

Aujourd'hui, comme l'indique l'article du 6 octobre 2018, si la constante, alpha, était augmentée d'une quantité même insignifiante, l'univers ne serait plus le même. Les protons se repousseraient les uns les autres, ce qui détruirait les noyaux atomiques de tous les corps existants . Au delà encore les réactions de fusion nucléaire se produisant au cœur des étoiles s'arrêteraient de telle façon qu'elles ne pourraient plus produire le carbone, essentiel à la vie. Si alpha était diminuée, ce seraient des liens moléculaires essentiels à la vie qui seraient détruits.

Alpha est au cœur d'une théorie déjà ancienne initialisée par Dirac et développée par Feynman, dite électrodynamique quantique ou QED. Elle décrit les interactions entre la lumière et la matière. Alpha détermine la force de ces interactions.

Mais alpha est-elle réellement immuable ou plutôt n'a-t-elle pas changé au cours de l'histoire de l'univers. Les interactions électromagnétique qui déterminent ce que l'on nomme les constantes de l'univers auraient elles pu être plus fortes ou plus faibles dans le passé, ou bien pourraient elles être différentes d'un univers à l'autre, dans l'hypothèse aujourd'hui très actuelle du multivers ? Dans ce cas, ces constantes cesseraient de l'être.

Les physiciens sont pour la plupart convaincus aujourd'hui que si de nouvelles expériences montraient de faibles variations dans la constante de structure fine, il en résulterait que ce sont les lois dites fondamentales de l'univers elles-mêmes qu'il faudrait revoir, en remettant en cause leurs prétentions à l'universalité dans le temps et dans l'espace.

Entrée en scène des télescopes modernes

C'est précisément ce que semble montrer l'analyse des rayons lumineux collectés par le télescope Keck à Hawaï, un des plus puissants du monde (image ci-dessus) . Il peut recueillir des rayons lumineux provenant de quasars dont l'age est évalué à 12 milliards d'années. Au cours de ce voyage, ils ont traversé des nuages de gaz qui absorbent certaines longueurs d'onde. Il devrait en résulter une modification de alpha caractérisant un univers âgé de 12 milliards d'années. Autrement dit l'univers existant à cette époque lointaine ne devrait pas être identique à l'univers d'aujourd'hui.

De nouvelles méthodes d'analyse des spectres d'absorption des rayons émis par Keck semblent montrer qu'alpha avait augmenté entre – 12 et – 6 milliards d'années, d'une très faible quantité (1 sur 1 million) mais néanmoins significative. L'accès à des analyses provenant d'un autre télescope, le VLT au Chili, a confirmé ces résultats. Ceci pourrait signifier que l'univers d'aujourd'hui serait notablement différent des univers plus anciens. Or la caractère unique et non susceptible d'évolution de l'univers est un postulat de base de la cosmologie. C'est ce caractère qui par ailleurs explique le développement linéaire de la vie depuis ses origines. La vie, selon les conceptions actuelles, n'aurait pas pu se développer dans un univers en changement.

D'autres cosmologistes attribuent les modifications de longueur d'onde supposées observées par ces télescopes à des erreurs instrumentales. Ils présentent eux-aussi de bons arguments en faveur de cette dernière hypothèse. Il convient donc pour lever cette incertitude de procéder à de nouvelles observations. C'est ce que devra permettre un nouvel instrument qui sera mise en œuvre sur le VLT, l' Echelle Spectrograph for Rocky Exoplanet and Stable Spectroscopic Observation, ou ESPRESSO.

Ses concepteurs espèrent qu'il pourra produire de premiers résultats vers la fin de 2019. Il devrait pouvoir confirmer l'hypothèse d'une variation de alpha au cours des 10 milliards d'années précédentes. Les analyses de ses résultats, pour évier des erreurs humaines seront soumis à des algorithmes intelligents, autrement dit à l'Intelligence Artificielle. Ceci ne devrait pas dire que les divergences d'opinion concernant l'évolution de alpha seront complètement résolues à cette époque, et moins encore celles concernant la nature et l'évolution de l'univers. Celle-ci par exemple aurait pu être très rapide peu après le Big Bang et s'être considérablement ralentie, sinon arrêtée, depuis.

Références

1) NewScientist 6 octobre 2018 There's a glitch at the edge of the universe that could remake physics
https://www.newscientist.com/article/mg24031982-200-theres-a-glitch-at-the-edge-of-the-universe-that-could-remake-physics/

Voir aussi un article plus ancien du NewScientist du 8 septembre 2010 https://www.newscientist.com/article/dn19429-laws-of-physics-may-change-across-the-universe/

2) Wikipédia. La Constante de structure fine
https://fr.wikipedia.org/wiki/Constante_de_structure_fine

3) Indications of a spatial variation of the fine structure constant https://arxiv.org/abs/1008.3907

 

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12/10/2018
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