L’invariance d’échelle du vide, un retour à la réalité ?

Depuis des dizaines d’années, la matière noire et l’énergie sombre hantent l’esprit des cosmologues du monde entier. Elles constitueraient l’essentiel de l’Univers et pourtant on n’a jamais pu les observer en direct, quelle que soit l’échelle à laquelle on se place. On n’en voit que les effets supposés. Pourquoi ? Nous sommes peut-être sur une fausse piste. Peut-être faut-il à nouveau revenir au réel, c’est-à-dire à ce que l’on voit ou, pour généraliser, ne considérer comme réel que ce dont on reçoit une onde ou un rayonnement. En quelque sorte peut-être faut-il laisser tomber ce qu’on pourrait considérer comme des épicycles modernes. La théorie de l’invariance d’échelle du vide, exposée par André Maeder a, en ce sens, le mérite de proposer de remettre élégamment l’église au milieu du village.

La matière noire et l’énergie sombre sont les explications données par le consensus (« modèle standard » de la cosmologie, dit « ΛCDM »*) pour des constatations embarrassantes : le mouvement des étoiles autour du cœur des galaxies est trop rapide, comme si une énorme masse cachée les enveloppait ; la vitesse de concentration des galaxies dans leurs amas est telle que la gravité parait être sensible à une énorme masse cachée au cœur de ces amas ; l’accélération de l’expansion de l’Univers qui se manifeste depuis quelques 6 ou 7 milliards d’années, parait être causée par une force étrange qui prolonge l’impetus donné par le Big-bang à l’origine de l’expansion de l’Univers il y a 13,8 milliards d’années et qui aurait dû petit à petit s’épuiser.

*Lambda Cold Dark Matter où Lambda (« Λ ») est la constante cosmologique, associée à l’énergie sombre.

Cependant ces explications, une masse et une énergie non observables directement mais seulement identifiables par leurs effets, ne sont pas satisfaisantes car, malgré les années et l’acharnement à les identifier directement, force est de constater que l’on n’y parvient toujours pas. Cette masse et cette énergie manquantes s’avèrent beaucoup plus élusives que l’antimatière et c’est bien gênant puisqu’elles constitueraient 95,1% de l’Univers ; toute notre matière perceptible, dite « baryonique », n’en constituant que 4,9%. Ne faudrait-il pas changer nos paradigmes ?

Un astrophysicien, André Maeder, professeur émérite à l’Université de Genève, a remis en question l’approche suivie depuis les années 1933 (Fritz Zwicky) et 1998 (Riess et al.), en expliquant ces phénomènes observés, sans introduire cette masse et cette énergie jamais détectées en direct. Sa théorie repose sur ce qu’il appelle l’« invariance d’échelle du vide ». Elle est très séduisante car si elle remet bien sûr en cause le modèle standard, ΛCDM, qui a introduit ces fantômes, elle ne suppose pas pour autant de remettre en cause les équations fondamentales des grands modèles de la cosmologie, seulement de les ajuster/préciser.

La démonstration faite par André Maeder est très compliquée à comprendre par les non spécialistes car elle suppose de solides connaissances en mathématiques. Je vais essayer d’en donner quelques éléments, suffisamment pour en faire ressortir les principes logiques.

Tout d’abord il faut savoir que l’« invariance d’échelle » est un concept de mathématiques et de physique selon lequel le comportement d’un système considéré est indépendant de l’échelle à laquelle on l’observe. On la trouve par exemple dans un ensemble fractal, à l’intérieur duquel, à tous les niveaux de « focus » on voit la même figure. C’est aussi le cas des équations de Maxwell en électrodynamique qui, en l’absence de charges et de courants, montrent la même propriété d’invariance d’échelle.

Mais il est aussi admis que cette invariance a des limites aux extrêmes, par exemple si on se situe au niveau des molécules élémentaires ou à celle du système entier qu’elles constituent. André Maeder insiste d’ailleurs bien pour dire qu’aux petites échelles (à commencer par l’échelle quantique) les lois de la Physique sont, dans l’Univers, dépendantes de l’échelle considérée mais, et c’est là où sa position diverge de celle du consensus, il nous montre que ce n’est plus nécessairement vrai à grande échelle. Plus précisément, ce qu’il veut démontrer c’est qu’à partir du moment où les lois de la relativité générale sont nécessaires pour expliquer ce que l’on voit, le vide spatial a les mêmes propriétés quelle que soit l’échelle à laquelle on observe. Derrière nous, le « cas extrême », vérifié, où la dépendance est constatée, c’est, pendant quelques petits milliards d’années après le Big-Bang, la période pendant laquelle la densité de la matière dans l’Univers était importante, soit Ωm > 0,01 (Ω = 1 lors du Big-Bang), Ω étant le facteur de densité, Ωm celui de la masse. A notre époque ce sont aussi toutes les régions de l’espace qui ne sont pas vides, comme le cœur des galaxies (mais pas leur périphérie).

En se fondant sur le principe de l’invariance dans ces conditions, André Maeder établit une relation entre la constante cosmologique ΛE et le facteur d’échelle λ du cadre invariant d’échelle. Il ne fait que préciser ΛE avec ce facteur λ ; tout le reste demeure inchangé et cela rejoint l’esprit dans lequel Albert Einstein lui-même avait introduit la constante dans ses équations, puisqu’on rapporte qu’il l’avait fait pour préserver l’invariance d’échelle de l’espace vide. Il est assez surprenant de constater que dans le modèle cosmologique standard, suite du travail d’Einstein, les propriétés du vide sont certes prises en compte mais d’une manière qui interdit cette invariance d’échelle.

Autrement dit, le cadre invariant d’échelle introduit par André Maeder offre une possibilité de concilier l’existence de ΛE avec l’invariance d’échelle de l’espace vide et André Maeder corrige ainsi une dérive allant contre le principe originel.

On voit l’effet de λ dans le graphe ci-dessous. La densité de masse, Ωm a un effet très fort mais pendant très peu de temps et cet effet est largement dominé par λ par la suite. Le fait est que pour Ωm = 0,3 l’effet n’est pas encore complètement éliminé. Mais après Ωm = 0,01, λ va vers l’infini extrêmement vite.

La leçon du Professeur Maeder a apparemment du mal à passer car la quasi-totalité des cosmologues continuent à « chasser » la matière noire et l’énergie sombre. Comme souvent on s’enfonce sur une mauvaise piste et on refuse de voir qu’on s’est fourvoyé car cela représente beaucoup de travail perdu, des années de recherche gâchées. Mais tôt ou tard la réalité reprend ses droits. On l’a bien vu avec Képler et sa loi des cycles (Astronomia Nova publié en 1609). Attendons et espérons que nos scientifiques modernes soient plus rapides pour se remettre en question que les nombreux successeurs d’Hipparque et de Ptolémée.

Illustration de titre : espace profond, photo Hubble. L’étoile est proche, les galaxies disques ou formes ovales sont évidemment lointaines. Les plus rouges sont les plus lointaines (effet Doppler-Fizeau résultant de l’expansion de l’Univers).

Lectures :

An alternative to the ΛCDM model: the case of scale invariance , publié dans The Astrophysical Journal, 834:194 (16pp), le 10 janvier 2017. doi:103847/1538-4357/834/2/194: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/834/2/194

Un professeur genevois remet en question la matière noire (ATS, principale agence de presse suisse, Le Temps, 22/11/2017) : https://www.letemps.ch/sciences/un-professeur-genevois-remet-question-matiere-noire

Pierre Brisson

Pierre Brisson, président de la Mars Society Switzerland, membre du comité directeur de l'Association Planète Mars (France), économiste de formation (Uni.of Virginia), ancien banquier d'entreprises de profession, planétologue depuis toujours.

16 réponses à “L’invariance d’échelle du vide, un retour à la réalité ?

  1. Le problème existe à l’échelle des galaxies : Les étoiles connaissent une vitesse radiale constante indépendamment de leur distance du centre , alors que cette vitesse devrait diminuer comme dans le cas des planètes autour du Soleil qui mettent plus de temps a en faire le tour plus elles en sont éloignées .
    Sans refaire la démonstration , je me réfère au texte de Wikipédia :
    https://fr.wikipedia.org/wiki/Courbe_de_rotation_des_galaxies
    “Que cette théorie de la matière noire continue d’être défendue comme une explication pour la courbe de rotation des galaxies s’explique par le fait que la preuve de la matière noire ne dérive pas seulement de ces courbes. Elle est seule à simuler avec succès la formation des structures à grande échelle que l’on peut voir dans la distribution des galaxies ainsi qu’à expliquer la dynamique des groupes et amas de galaxies (telle que Zwicky l’avait proposé initialement). La matière noire prédit également convenablement les résultats des observations des lentilles gravitationnelles.”
    Affaire à suivre …

    1. Certes Monsieur Giot mais ce qui me semble intéressant dans la théorie de l’invariance d’échelle du vide, c’est qu’elle semble expliquer tous ces différents phénomènes (cf l’étude d’André Maeder dont je donne le lien en fin d’article) sans introduire cette matière et cette énergie.

  2. L’avancée de la science par théories et validations en observations est fascinante. On s’était fourvoyé avec l'”éther” non observable dans l’espace au 19ème siècle. Sommes-nous à l’aube d’une révolution similaire qui remet en cause ces hypothèses de matière et énergie noires, pour l’instant indétectables, révolution qui présentera une nouvelle architecture mathématique de l’univers sans utilité immédiate mais pour les prochaines générations d’explorateurs, peut-être ? À suivre, donc. Le télescope James Webb nous aidera-til à confirmer ou infirmer?

    1. Commentaire très juste, Monsieur Donneur!
      .
      Pour ce qui est de la contribution du télescope Webb à la réponse, je ne pense pas qu’elle puisse être “directe”. En effet, on ne voit pas la matière noire et on ne comprend pas la source de l’énergie sombre. Le télescope Webb ne peut que confirmer cette impossibilité car il n’est “armé” que pour percevoir certains segments de longueurs d’onde du spectre électromagnétique, pas pour “regarder” en dehors de ce spectre. Alors? Une contribution indirecte, sous forme d’une confirmation de non-existence? Difficile, car ce type de preuve est difficile à accepter.
      Il faudrait tout simplement que la multiplication des applications concluantes de la théorie d’André Maeder suffise pour montrer que l’on n’a pas besoin de la matière noire ou l’énergie sombre pour expliquer l’évolution de l’Univers et les mouvements des masses dans cet univers.

  3. Précision historique : l’introduction de la constante cosmologique par Einstein dans son équation était due au fait que l’Univers décrit par son équation primitive devait être instable et ne pouvait que s’effondrer sur lui-même du fait de la gravitation. À l’époque on pensait, du moins dans le monde scientifique, que l’Univers durait depuis toujours dans le même état, était stationnaire, et donc qu’il ne pouvait ni s’effondrer ni changer en quoi que ce soit.
    La constante cosmologique avait été introduite précisément pour compenser exactement la gravitation et permettre à l’Univers d’Einstein de rester tel quel pour toujours. Dès que la récession des galaxies lointaine a été mise en évidence par Hubble et correctement expliquée par Lemaître, on a su que l’Univers n’est pas stationnaire et donc subit une évolution, ou a une histoire et qu’il est en expansion. Einstein a alors retiré sa constante qui devenait inutile, qualifiant lui-même cette introduction d’un terme, qui, selon lui, défigurait son équation d’une beauté due à sa simplicité, comme la plus grande bévue de sa vie.
    On sait depuis la fin des années ‘90 que non seulement l’Univers est en expansion, mais en expansion accélérée. Mathématiquement, l’introduction de la constante cosmologique redevient justifiée ; elle décrit cette accélération, mais son explication fondamentale reste à trouver : une nouvelle « force », ou interaction fondamentale, responsable d’une antigravité, agissant à grande distance et insensible localement ?
    L’hypothèse du Pr Maeder est séduisante, au nom du « rasoir d’Occam », car elle ne nécessite plus l’intervention de matière noire et d’énergie sombre. Un preuve expérimentale définitive de la non-existence de la matière noire et de l’énergie sombre est encore à apporter, mais, comme toute preuve de non-existence, elle est quasi impossible à concrétiser.

    1. Merci Monsieur de Reyff pour votre rappel et vos précisions.
      .
      Vous avez raison de rappeler le rasoir d’Occam. Avec la matière noire et l’énergie sombre, il me semble qu’on s’éloigne beaucoup du fil de ce rasoir (si l’on peut dire!), à tel point qu’on se retrouve un peu dans le système des épicycles, de triste mémoire car ils ont embarrassé le raisonnement scientifique en astronomie pendant des siècles.

  4. Enfin un scientifique qui ose dire.
    Chaque fois que je parle aux scientifiques de la matière noire et de l’énergie sombre, je donne cet exemple d’introduction des épicycles dans le système géocentrique et en réponse je trouve un silence réprobateur ou directement les moqueries, qu’est-ce qu’un non cosmologiste peut comprendre à nos théories. Pourtant il n’y a rien à comprendre, depuis des années on parle des licornes (certes pas très bigarrées) sans jamais les trouver et se remettre en question car ses licornes nous échappent et on adapte leurs paramètres aux nouveau faits.
    Cette fois inébranlable en la matière noire et l’énergie sombre est religieuse et me fait penser que la science s’égare.

  5. Un ami, lecteur fidèle, me dit ne pas bien saisir cet état stationnaire de l’Univers. Que l’on considère le système de Ptolémée, ou celui des Copernic, Kepler, Galilée et Newton, les différents cycles qui les décrivent ont en commun de paraître être constants et de ne devoir jamais changer. L’être-là de l’Univers est un donné qui n’ a aucune raison de changer. Même Laplace voyait l’Univers comme un système d’horloge bien réglée et bien huilée, fonctionnant tel quel sans besoin d’un grand horloger ni pour sa mise en marche, ni pour en assurer son entretien.
    Il a fallu les coups de boutoir de la thermodynamique au XIXe s., et spécialement de son deuxième principe, pour que (depuis l’expérience quotidienne des générations qui passent et aussi du fait que les tasses et les verres se cassent et que jamais des tessons ne se rassemblent spontanément pour reformer un vase), on constate non seulement l’irréversibilité des phénomène « sublunaires » en ce bas monde, mais aussi l’évolution inéluctable des étoiles et des galaxies, avec naissances et morts successives. La flèche du temps ainsi mise en évidence ne traverse pas seulement nos vies, mais tout l’Univers qui subit une évolution et a donc une histoire.
    L’équation d’Einstein dans sa forme primitive ne décrirait que deux évolutions possibles : une contraction ou une expansion, la solution stationnaire, statique, étant impossible parce qu’instable.

    1. Il est certain que l’immuabilité de l’Univers parait aujourd’hui impossible. L’éternité n’est pas de ce monde. Les étoiles naissent et meurent comme nous-mêmes, des preuves manifestes en sont constatées tous les jours.
      .
      Ce qui m’intrigue c’est le petit grain de sable, la petite incertitude qui s’introduit partout, même dans les théories les plus convaincantes. On progresse ainsi, en résolvant une inconnue après l’autre ou en précisant une variable ou une constante après l’autre. On ouvre une porte et l’on voit qu’il y en a une autre dans la pièce précédemment mystérieuse où l’on vient de pénétrer. C’est la beauté de la recherche; c’est la beauté de l’Univers que l’on ne sera jamais rassasié de découvrir, comme les marins du temps jadis qui voyaient une île et espéraient qu’il y en aurait encore une autre plus loin…Ou peut-être un continent?
      .
      Saurons nous un jour?

  6. On distingue la physique newtonienne de la physique de l’infiniment petit (quantique), se pourrait-il qu’il existe une physique de l’infiniment grand bien différente des deux précédentes, tout aussi étrange mais encore bien au-delà de nos connaissances?

    1. Oui, la Relativité générale d’Einstein est exactement cela !
      À notre échelle de faibles gravités et de basses vitesses, elle se ramène à la théorie de la gravitation de Newton, qui suffit pour expédier nos satellites et sondes spatiales.
      La constante cosmologique entre très bien dans l’équation d’Einstein.
      Le vrai sens sous-jacent, encore à trouver, de cette constante pourrait être qu’il existe une nouvelle cinquième interaction fondamentale, sensible seulement pour de grandes distances. Mais ce n’est pas à proprement parler « une physique de l’infiniment grand » quoiqu’étant une nouvelle physique si cette cinquième interaction existe bien.
      On sait qu’il y a trois « familles » de leptons (et d’anti-leptons) et aussi trois familles de quarks (et d’anti-quarks) — et strictement seulement trois —, mais rien ne dit qu’il y a seulement quatre interactions fondamentales, ou trois, si l’on joint l’interaction faible avec l’interaction électromagnétique, dans une seule forme dite électro-faible.

  7. Puisqu’on en vient à parler de quarks et antiquarks donc d’infiniment petit, existerait-il un livre de vulgarisation faisant le point sur le “contenu” des protons (et neutrons). quarks de valence, couples quarks- antiquarks et aussi gluons, interaction forte. Quelles sont leur “vie” et fonction? Comment en arrive-t-on à la théorie des cordes si cela peut se comprendre sans indigestion de mathématiques? Je ne les connais que par des revues. Tout cela fait partie de nous-mêmes et est au moins aussi intéressant que les masses d’histoire ancienne dont on nous écrase et dont le poids sur notre vie est bien moins grand que ce que pensent les tenants de cette discipline (l’histoire)

  8. Lisez déjà les articles “quark” et “leptons” de Wikipedia en français et en anglais.
    Il y a aussi le très pédagogique livre “Quarks and Leptons” de Francis Halzen et Alan D. Martin.
    Pour ce qui est de la théorie des cordes, je suis sceptique sur son utilité, car, à ce jour, aucune de ses (trop) nombreuses variantes n’a fait une prévision qui aurait pu être vérifiée expérimentalement…

  9. Merci M. Brisson pour cet intéressant billet.
    Cette théorie est-elle compatible (ou en contradiction) avec la théorie MOND qui semble connaitre un regain d’intérêt suites aux premières observations de Webb dans l’univers lointain?

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