Privée de découverte depuis 50 ans la science est-elle en panne ?








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Privée de découverte depuis 50 ans la science est-elle en panne ?


Christian Magnan, astrophysicien, Collège de France

Conférence ADASTA du 7 décembre 2016

Depuis l’année 1965 marquant la découverte du fond cosmologique diffus, laquelle apportait la preuve de la justesse du modèle du Big Bang, la cosmologie n’a plus produit aucun savoir et semble engagée dans des impasses intellectuelles profondes. L’aspect le plus inacceptable de la situation est l’absence de débat critique interne, comme le montre l’acceptation unanime et inconditionnelle de l’existence de ces substances fictives que sont la matière noire et l’énergie noire, à l’étude desquelles crédits et efforts sont consacrés en pure perte. S’ajoutent une débauche de grands projets à 1 milliard d’euros l’unité sans résultats tangibles.

Pour faciliter l’étude des sujets traités dans cette conférence, permettre de les découvrir, de les approfondir et de les critiquer, Christian Magnan indique d’abord que seuls son ouvrage « Le théorème du jardin » (2011, réédité en 2014) et son site « lacosmo.com » les abordent. Ainsi les items de cet exposé ne se retrouvent nulle part ailleurs, une circonstance constituant une véritable aberration scientifique, comme le montrera la discussion finale. On peut citer comme exemple de vérité ignorée des discours scientifiques le fait que l’astrophysique est une science d’ordre de grandeur. Alors que les caractéristiques du système solaire (distance des objets qui le constituent, prédiction de lieu et d’horaire des éclipses) et les données physiques des planètes (masse, taille) sont connues avec une grande précision, que l’on qualifie justement d’« astronomique », les données concernant les étoiles (distance, masse, taille, température) sont très incertaines bien que leur ordre de grandeur soit en général fiable. Or ce trait important de l’astrophysique ne fait pas la une des publications, que ces dernières, d’ailleurs, soient professionnelles ou destinées au grand public. Ce manque de précision ne doit pas être pris comme un défaut dont la science devrait souffrir et avoir honte mais plutôt comme un élément du jeu de la découverte du monde avec lequel il faut bien composer.

Seule la science permet de découvrir la vérité des choses

Nous voyons le Soleil se lever à l’est, se coucher à l’ouest, et tous les astres, comme Lune et étoiles, suivre la même course dans le ciel. Nous savons aujourd’hui que ce mouvement est apparent. Il n’est pas dû à un déplacement propre des astres mais traduit en fait la rotation de la Terre sur elle-même. Comment se fait-il que les hommes aient mis tant de siècles à découvrir cette vérité ? Cette question appelle trois remarques.

1. Le mouvement propre de rotation de la Terre est très difficile à mettre en évidence pour des observateurs se trouvant sur Terre. Que ce soit en milieu scolaire ou universitaire, en laboratoire, au musée des sciences ou en tout autre endroit, Il n’existe aucune expérience simple à mettre en œuvre capable de fournir la preuve que notre planète tourne sur elle-même. Cette difficulté profonde est une illustration éloquente du principe de relativité, avancé déjà par Galilée (et pour cause : cette circonstance n’arrangeait pas ses affaires), et exploité par toute la physique, notamment par Einstein avec la théorie de la relativité restreinte qui en couronnera son usage. Ce principe énonce que le mouvement d’un mobile ne peut pas être mis en évidence de façon absolue par une expérience interne à ce mobile. Ainsi les voyageurs d’un engin spatial ayant coupé ses moteurs et fermé ses hublots ne peuvent pas savoir qu’ils avancent et à quelle vitesse ils le font s’ils n’effectuent que des expériences se déroulant à l’intérieur de leur habitacle. Plus tard la relativité générale stipulera que dans les mêmes conditions ils ne peuvent pas savoir non plus (sauf par des expériences d’une précision suffisamment grande) qu’ils s’approchent d’un astéroïde ou d’une planète massive.

2. La réalité du mouvement de rotation de la Terre a été révélée par la science, et seulement par la science. Bertrand Russel disait fort justement que « ce que la science ne peut pas découvrir, l’humanité ne peut pas le savoir ». Ainsi les discours des philosophes, les prétendues révélations de la religion, les conversations de salon ou de bistrot n’ont jamais conduit à la vérité des choses matérielles. La science occupe une place à part parmi les disciplines de la pensée.

3. L’histoire nous montre que la réussite de la science dans son entreprise de recherche de la vérité a résulté de la rencontre miraculeuse (un adjectif que nous préciserons par la suite) entre des faits expérimentaux (en astronomie il s’agit essentiellement d’observations puisque le monde est inaccessible à une expérimentation le concernant ; on ne peut pas refaire une étoile) et des théories formelles, ne manipulant que des objets abstraits. Parallèlement la nécessité de s’appuyer sur des observations invalide, comme sortant du cadre de la physique, des idées telles que les multivers, autres univers par essence inobservables.

La naissance de la science moderne

La science moderne est née avec la Révolution Copernicienne. Cela ne signifie pas qu’il n’y avait rien « avant ». Quand un enfant est mis au monde par sa mère, la naissance s’est préparée depuis 9 mois. Pour la science, c’est pareil. Elle a eu besoin des mathématiques des Grecs et de l’algèbre des savants qui ont pris la suite mais on ne la vue naître et grandir qu’au dix-septième siècle.

De façon certes symbolique, mais hautement signifiante, on peut placer la naissance de la science moderne en août 1684. Au cours de ce mois l’astronome anglais Edmond Halley (celui de la comète !) rend visite à Isaac Newton et lui pose la question suivante :

— Monsieur, je viens vous demander ce que serait la trajectoire d’une planète si la force de gravité à laquelle elle est soumise de la part du Soleil diminuait comme l’inverse du carré de la distance à cet astre.

Newton répond :

— Monsieur, je sais : cette trajectoire serait une ellipse !

C’est à ces mots que naît la science moderne car c’est l’instant où l’ellipse théorique de Newton rejoint l’ellipse de Kepler, orbite autour du Soleil que l’astronome avait trouvé expérimentalement en analysant les observations minutieuses de Tycho Brahe concernant la planète Mars. Voilà l’essence de la science humaine que nous avons connue : la rencontre entre une théorie puissante et des observations significatives. Cette rencontre est miraculeuse pour au moins deux raisons. D’abord chacun des termes de la relation est indépendant de l’autre. Newton ne cherchait pas à expliquer l’ellipse de Kepler, et Kepler ne connaissait pas la théorie de la gravitation universelle. Ensuite la fécondité de la relation est inexplicable. Pourquoi l’outil théorique permet-il d’établir un rapport avec le monde ? Nul ne pourra jamais répondre à cette interrogation. Nous connaissons le monde, nous expliquons comment nous le connaissons, mais pas pourquoi nous le connaissons (pourquoi ça marche).

Le miracle de la rencontre entre théorie et observation s’est reproduit une seconde fois au début du vingtième siècle et nous a conduit à la connaissance, que l’on peut considérer comme définitive dans ses grandes lignes, de la structure de l’Univers. Cette histoire, que je me propose de raconter maintenant, est celle de la découverte de l’expansion de l’Univers et du Big Bang, lequel est forcément associé à l’expansion. Les deux volets, théorique et observationnel, sont respectivement représentés par Einstein et Hubble mais nous verrons que d’autres savants comme Alexandre Friedmann et Georges Lemaître (pour la théorie) et Henrietta Leavitt (pour l’observation) ont joué un rôle majeur.

Un monde de galaxies

De quoi se compose l’Univers ? La question se pose avec acuité en 1920 parmi les astronomes qui organisent autour d’elle discussions et conférences. L’une d’entre elles, particulièrement célèbre et minutieusement préparée par les orateurs, sera désignée comme le « Grand Débat ». Elle est consacrée à la nature des nébuleuses spirales, objets du catalogue de Messier ayant l’apparence d’objets diffus montrant des bras spiraux, et son enjeu est prodigieux. Deux thèses opposées sont en présence. Shapley défend l’idée que ces nébuleuses spirales sont des nuages relativement proches, c’est-à-dire se situant à l’intérieur de notre Voie Lactée, disons à moins de 100 000 années de lumière de distance. Dans cette vision des choses, l’Univers se réduit à notre seule Voie Lactée. L’autre thèse est défendue par Curtis, selon qui les nébuleuses spirales sont d’autres galaxies semblables à la nôtre, c’est-à-dire semblables à notre Voie Lactée. Dans cette optique l’Univers est infiniment plus vaste puisqu’il est supposé contenir de nombreux « univers-îles », comme on les désignait à l’époque. Qui a raison, qui a tort ? Les nébuleuses spirales sont-elles à moins ou à plus de 100 000 années de lumière ? La réponse sera donnée par des mesures de distance.

Comment mesure-t-on la distance des étoiles ? Mis à part la détermination de la distance des étoiles relativement proches, faite par une mesure de triangulation géométrique utilisant l’orbite de la Terre autour du Soleil comme base, celle d’astres plus lointains repose sur la connaissance de la luminosité intrinsèque de l’étoile. Ainsi sur Terre serez-vous capable de mesurer la distance d’un objet lumineux vu de nuit si vous en connaissez la nature : lanterne, torche électrique de tant de watts, lampadaire, phare de voiture, etc. C’est en 1912 que Henrietta Leavitt, une astronome qui travaille dans l’équipe de Pickering au Harvard College Observatory et y analyse des centaines de clichés pris dans divers observatoires du monde, découvre le moyen de connaître la luminosité intrinsèque si précieuse de certaines étoiles particulières, les Céphéides. Les Céphéides sont des étoiles variables, dont l’éclat varie de façon régulière, périodique, en passant alternativement par un maximum et un minimum. La période de ce phénomène va de la journée à quelques mois, selon les étoiles. Or Henrietta Leavitt montre qu’il existe une relation entre la période de variation et la luminosité de l’étoile, les étoiles dont la période est plus grande ayant un éclat plus grand. Comme la période est facile à déterminer (il suffit de mesurer l’intervalle de temps séparant deux maxima), il devient possible d’en déduire la luminosité intrinsèque voulue, à condition toutefois d’avoir pu calibrer la relation de Leavitt par des mesures trigonométriques sur des objets proches, ce qui fut réalisé tant bien que mal (avec une certaine marge d’incertitude bien entendu).

Grâce à la relation de Leavitt Hubble détermine la distance de la nébuleuse d’Andromède ou M31, l’objet numéro 31 du catalogue de Messier, et de quelques autres nébuleuses proches et peut communiquer pour la première fois à l’humanité entière le verdict de la science. Dans le New York Times du 23 novembre 1924, un article indique que Hubble confirme l’hypothèse selon laquelle les nébuleuses spirales sont des objets situés en dehors de notre Voie Lactée. Curtis avait raison, Shapley avait tort. Notre Voie Lactée est une galaxie parmi d’autres, ces dernières se trouvant sans doute en nombre considérable. L’Univers est constitué d’univers-îles situés à des distances mutuelles inouïes, de l’ordre de quelques millions d’années de lumière, chaque île contenant des dizaines ou des centaines de milliards d’étoiles. On peut noter que la distance de la nébuleuse d’Andromède, pourtant la plus proche des galaxies, n’est connue qu’avec une marge d’erreur non négligeable, de l’ordre de 20%, dans l’intervalle de 2,5 à 3 millions d’années de lumière. Cette incertitude sur les mesures de distance des étoiles est indéniable et n’est pas près de disparaître. Elle jette le doute sur les affirmations péremptoires contemporaines concernant la structure de l’Univers, nous y reviendrons. Mais peu importe cette incertitude, nous savons maintenant de façon définitive que l’Univers est constitué de galaxies distantes les unes des autres de millions d’années de lumière. Incidemment une unité courante de mesure de distance des galaxies est le mégaparsec, qui vaut 3,26 millions d’années de lumière et donne donc l’ordre de grandeur des distances mutuelles des galaxies. Précisons que de telles dimensions sont inconcevables, ce qui ne plaide pas en faveur de l’idée à la mode selon laquelle l’Univers aurait été conçu pour l’Homme.

L’autre immense découverte de Hubble est que toutes les galaxies (à l’exception d’ailleurs d’Andromède) s’éloignent de la nôtre. Il est intéressant de noter que la détermination de la vitesse radiale d’un astre (rapprochement ou éloignement) est la mesure la plus facile à réaliser en astrophysique. Il suffit pour cela de prendre le spectre de l’étoile et d’examiner les raies qui y sont présentes. Quand l’objet céleste s’éloigne les raies sont décalées vers les grandes longueurs d’onde, c’est-à-dire vers le rouge. C’est la manifestation de l’effet Doppler. Hubble constate en outre que plus la distance des galaxies est grande plus grande est la vitesse de fuite. C’est la fameuse « loi de Hubble ».

À l’époque de sa découverte, la fuite des galaxies est totalement inexplicable. Serions-nous le centre du monde ? Comment se fait-il que toutes les galaxies s’éloignent de la nôtre ? Les astronomes refusent d’imaginer que le mouvement détecté corresponde à une vraie vitesse de déplacement et parlent d’une « pseudo-vitesse ». Une fois encore l’histoire nous montre qu’une observation seule ne peut pas nous révéler la vérité des choses. Il faut un volet théorique pour comprendre la nature.

La validation du modèle du Big Bang

C’est Einstein qui va fournir la théorie permettant d’expliquer la fuite des galaxies. Vers les années 1915, après avoir développé la relativité restreinte, Einstein invente une nouvelle théorie de la gravitation, propre à parfaire celle de la gravitation universelle de Newton. Or lorsqu’on applique les équations de la gravitation d’Einstein à l’Univers entier, leur solution conduit à un univers en expansion, une idée tout à fait invraisemblable à l’époque, au point qu’Einstein, conservateur en la matière, la rejette en trichant avec son formalisme, y introduisant un terme arbitraire adéquat propre à supprimer cette expansion à ses yeux inacceptable. Il regrettera plus tard son attitude en la qualifiant de plus grosse « ânerie » de sa carrière.

Si Einstein s’est révélé en cela mauvais cosmologiste, deux autres personnalités vont défendre la thèse de l’expansion de l’Univers et en montrer la valeur. Il s’agit de Friedmann et Lemaître. Friedmann est le premier à donner la solution des équations d’Einstein pour un univers homogène et isotrope, le plus simple que l’on puisse imaginer, et le seul pour lequel les équations sont solubles. Einstein prétendra d’abord que Friedmann s’était trompé en résolvant les équations mais il sera bien obligé de reconnaître au bout de quelques mois que c’est lui-même qui se trompait dans son jugement. L’univers de Friedmann est encore aujourd’hui le seul univers ayant un sens physique qui corresponde à la réalité (je ne dis pas qu’il rend compte de toute la réalité ou qu’il lui est identique).

Le mérite de Lemaître est d’avoir défendu la notion de Big Bang (que lui appelait atome primitif). L’idée de l’expansion de l’espace conduit naturellement à l’idée d’un état primordial extrêmement condensé qui en se dilatant a conduit à l’Univers actuel. Suivant en cela l’idée proposée dès 1948 par Gamow il insiste sur le paramètre « température », et souligne que si l’Univers était extrêmement condensé il devait être en même temps extrêmement chaud. Il prédit alors qu’on devrait voir de nos jours le résidu de l’intense rayonnement ayant accompagné la naissance du cosmos. Bingo ! C’est en 1965 que Penzias et Wilson découvrent le fameux « fond cosmologique diffus », lequel représente le reste, refroidi à 3 degrés Kelvin à cause de l’expansion, du rayonnement primitif.

Or depuis cette découverte majeure qui donnait raison à Lemaître (lequel est mort en paix en entendant la nouvelle) et qui a valu à ses auteurs un prix Nobel mérité en 1978 aucune avancée significative n’a été accomplie. Sur cet argument, et sur d’autres que je vais donner, on peut dire que la science fondamentale moderne, née en 1684, s’est éteinte en 1966, ayant donc vécu moins de trois siècles.
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