Par Wolfgang Smith

« Les rationalistes fuient le mystère pour se précipiter dans l’incohérence » (Bossuet)

Wolfgang Smith¹

Résumé : Le big bang est aujourd’hui une des théories les plus connues, à ce point que beaucoup croient qu’il s’agit d’un fait. En réalité l’hypothèse d’un « atome primitif » émise par l’abbé Georges Lemaître en 1931 n’a jamais reçu de réelle preuve. En 1965 la découverte d’un rayonnement à 2,7 degrés Kelvin (soit dix fois moins que la température prédite !) avait été présentée comme une confirmation. Mais une cause isotrope (la même dans toutes les directions) peut difficilement expliquer un univers ou la matière est concentrée en de grosses masses. Quant au décalage vers le rouge du spectre émis par les galaxies, son interprétation comme résultant de la vitesse d’éloignement des corps célestes est contredite par l’observation de ponts de matière entre des corps aux décalages très différents. On ne pourra pas indéfiniment ajouter hypothèse sur hypothèse pour répondre aux difficultés soulevées par une théorie dont on se demande pourquoi on la vulgarise ainsi contre toute vraisemblance.

Selon la rumeur, le big bang est maintenant « un fait scientifiquement prouvé. » Lorsqu’en 1965 Arno Penzias et Robert Wilson découvrirent le désormais fameux rayonnement thermique du fond du ciel, le New York Times annonça l’événement par le titre «LES SIGNAUX PRÉSUMENT LE BIG BANG  DE L’UNIVERS.» Qu’ils le fassent ou non est évidemment une autre question; mais le fait demeure que depuis lors la théorie du big bang est devenue la cosmologie officielle. Désormais tout étudiant en science doit croire que l’univers est né il y a environ 15 milliards d’années dans une sorte d’explosion et qu’il vole en éclats depuis lors. On lui a expliqué que c’est la raison pour laquelle on voit les étoiles et les galaxies s’éloigner avec une vitesse proportionnelle à leur distance, comme l’astronome américain Edwin Hubble est dit l’avoir montré. Avec l’aide d’une vaste couverture médiatique, l’image d’un « univers bulle de savon » en expansion s’est imposée avec le temps au grand public. Mais un tel changement radical de notre Weltanschauung^* collective ne peut manquer d’avoir un impact sur notre culture et, surtout, sur notre sensibilité religieuse, question que j’examinerai en temps voulu.

Cet exposé sera donné en trois parties différentes: dans ce numéro j’examinerai  le statut scientifique actuel de la théorie du big bang ; plus tard nous réfléchirons sur la nouvelle cosmologie d’un point de vue théologique et spécifiquement chrétien.

Je soutiendrai qu’en dépit de son affirmation apparente d’une création ex nihilo, cette cosmologie est, en réalité, profondément contraire à la foi chrétienne. Dans une troisième partie je m’interrogerai sur les ambitions de l’astrophysique contemporaine comme telle, sans référence à une théorie ou à un paradigme en particulier.

Il est clair que les théoriciens du big bang s’attellent à une tâche gigantesque : la théorie, après tout, doit expliquer, au moins en termes approximatifs, l’évolution physique de l’univers, depuis ce que Georges Lemaître a appelé « l’atome primitif » jusqu’à l’immensité de son état actuel.

Ce qui est remarquable, d’un autre côté, c’est que l’un des efforts de recherche le plus intensif et prolongé  dans l’histoire de la science, n’a jusqu’à présent réussi qu’à aggraver ses difficultés.

L’histoire commence avec « l’atome primitif » de la version du big bang de Lemaître présentée en 1931 lors d’une conférence scientifique et aussitôt rejetée par les astrophysiciens². Lemaître avait attaché sa théorie à l’affirmation que les rayons cosmiques ne pouvaient avoir été produits que comme une conséquence immédiate du big bang, conjecture qui s’est avérée fausse. Après une période d’inactivité, l’intérêt pour la théorie du big bang^* resurgit à la fin de la seconde guerre mondiale, stimulé sans doute par l’explosion de bombes atomiques. La seconde version, en tout cas, fut proposée en 1946 par George Gamov (1904-1968), physicien exceptionnellement charismatique³.

Au lieu des rayons cosmiques de Lemaître, Gamov accrocha sa théorie aux éléments chimiques, qu’il voyait comme des vestiges tangibles du big bang. Je me souviens très bien d’un colloque de physique lors duquel, à ma stupéfaction, Gamov décrivit en détail la constitution nucléaire de l’univers quelques microsecondes après le big bang. Malgré tout, sa théorie échoua aussi.

La seconde brève ère de la théorie du big bang prit fin lorsque Fred Hoyle et ses collaborateurs publièrent en 1957 une étude montrant que la synthèse nucléaire à l’intérieur des étoiles donne naissance à des noyaux lourds et en proportions comparables aux valeurs actuelles. Pendant un temps il sembla qu’une cosmologie alternative, la théorie de l’état stationnaire, eut pris le dessus. En 1965, cependant, le vent tourna encore : ce fut le moment historique marqué par le gros titre du New York Times.

Quelle est donc la relation entre le rayonnement cosmique et le big bang ? Il est clair, d’après la physique fondamentale, que le big bang (s’il a eu lieu) doit avoir produit un abondant rayonnement, lequel doit se trouver encore dans l’univers (pour la simple raison qu’il n’a pas d’autre endroit où aller). Puisqu’il doit être dans un état d’équilibre thermique (de nouveau parce qu’il n’y a pas « d’extérieur » avec lequel il pourrait échanger de l’énergie), ce rayonnement doit nécessairement être du genre émis par un prétendu corps noir, dont la température peut être déduite de la distribution des fréquences. Et finalement, le champ de radiation produit par le big bang doit être uniformément réparti dans l’univers (pour la raison que des conditions initiales homogènes produisent des effets homogènes).

D’après les calculs initiaux de Gamov, le champ de radiation devrait avoir maintenant un décalage vers le rouge correspondant à une température de 20°K pour le corps noir, ce qui le placerait dans la gamme des micro-ondes. L’estimation de température de Gamov fut portée ultérieurement à 30°K par P.J.E. Peebles, et la question en resta là jusqu’à ce jour de 1965 où le rayonnement de fond fut capté par une antenne géante des Laboratoires Bell et déchiffré par deux jeunes scientifiques qui n’avaient jamais entendu parler du big bang.

Malgré le fait que la radiation correspondait à un corps noir de 2,7°K (erreur d’un facteur 10 !), la découverte donna l’impression qu’une extraordinaire prédiction était maintenant confirmée et que vraiment les « signaux présumaient un big bang de l’univers. » Penzias et Wilson reçurent le Prix Nobel !

Pourtant la théorie n’était pas encore tirée d’affaire. Le plus gros problème de cette nouvelle cosmologie était d’expliquer les grosses structures de l’univers astronomique.

Et ici le bruit de fond s’avéra un redoutable obstacle: sa grande régularité et son isotropie semblaient exclure le genre d’univers avec de grosses masses que nous observons. En admettant que la matière dans le cosmos primitif était aussi uniformément répartie que le laisse supposer le rayonnement de fond, comment alors a-t-elle pu se concentrer en étoiles et en galaxies ?

On peut supposer que quelques fluctuations initiales furent amplifiées par des forces gravitationnelles pour former l’univers stellaire; on découvre alors que les champs de gravitation nécessaires pour accomplir une telle consolidation doivent être considérablement plus forts que ce que toute la matière de l’univers ne permet.  Pour rendre les choses pires encore, il s’avère que les vitesses relatives entre les étoiles proches et les galaxies sont comparativement petites, rendant impossibles les  grandes séparations observées au cours des 15 ou tout au plus 20 milliards d’années qu’autorise le scénario du big bang. Le problème s’est encore aggravé avec l’augmentation dramatique des dimensions des objets stellaires identifiés par les astronomes. Ce furent d’abord des étoiles simples, puis des galaxies, puis des amas de galaxies; et finalement, en 1986, Brent Tully, à l’Université d’Hawaï, découvrit que la plupart des galaxies dans un rayon de 1 milliard d’années lumière sont concentrées dans des structures fines mesurant environ 1 million d’années lumière de longueur.

Ces super-amas ont depuis été étudiés par diverses équipes de recherche. En 1990, Margaret Geller et John Huchra, de l’observatoire Smithsonian de Harvard, découvrirent un énorme amas de galaxies, de la taille des super-amas, qui se vit attribuer le nom de « Grande Muraille ».

Juste après, une autre équipe découvrit une série de structures similaires « derrière » cette Grande Muraille. Elle découvrit, s’éloignant vers l’extérieur (s’éloignant de la terre), une séquence de grandes murailles plus ou moins régulièrement espacées de 600 millions d’années lumière. Ce n’est pas du tout ce que les théoriciens du big bang attendaient  ni voulaient trouver.

En fait, c’est presque le pire scénario, une découverte à laquelle le Washington Post répondit cette fois par une autre annonce à la une: «LE BIG BANG FAIT FAILLITE.»

Pendant ce temps, de formidables efforts ont été accomplis pour examiner plus attentivement le rayonnement fossile, avec l’espoir de trouver des anisotropies. On comprend facilement pourquoi ont retenti les hourras lorsque le satellite COBE (Cosmic Background Explorer) découvrit de petites fluctuations: c’était le genre de résultat que les théoriciens assiégés attendaient impatiemment.

Malheureusement, les variations (de l’ordre de un  pour cent mille) demeuraient beaucoup trop petites: il s’avère que les fluctuations devraient être voisines de un pour cent pour expliquer la formation d’objets stellaires tels que les super-amas de Tully ou la Grande Muraille. Le rayonnement fossile est donc encore beaucoup trop lisse et isotrope pour permettre une évolution depuis le supposé « atome primitif » jusqu’à l’univers astrophysique observé.

Les théoriciens du big bang répondent typiquement aux problèmes en ajoutant de nouvelles hypothèses. Assurément, une théorie scientifique ne doit pas être aussitôt rejetée lorsqu’elle se trouve en conflit avec certains faits observés: c’est une pratique normale que de chercher une hypothèse appropriée pouvant résoudre le conflit, processus qui conduit souvent à de nouvelles découvertes⁴. Mais cela n’innocente guère une théorie n’ayant que peu ou pas de support empirique et qui n’est maintenue en vie que par une prolifération d’hypothèses ad hoc.

Je ne connais que deux théories scientifiques majeures pour lesquelles un tel défaut flagrant de vérification empirique est toléré: la théorie évolutionniste de Darwin et la cosmologie du big bang.

On pourrait objecter à mon second exemple le fait que la théorie du big bang prévoyait bien le rayonnement fossile; cependant,  non seulement elle avait prédit la mauvaise température, mais il se trouve que ce rayonnement peut être expliqué de façon convaincante par d’autres moyens⁵. Comme la « prédiction » d’un rayonnement cosmique par Lemaître et la « prédiction » par Gamov d’éléments chimiques, la prédiction d’un rayonnement de fond fait peu en réalité pour consolider l’hypothèse du big bang.

En attendant, l’addition d’hypothèses toujours nouvelles – et toujours plus fantastiques!- pour faire cadrer la conjecture originale avec les faits n’est pas bon signe. Comme l’a dit un jour Brent Tully: «Il est troublant de voir qu’il y a une nouvelle théorie à chaque fois qu’il y a une nouvelle observation.»

Pour illustrer la « logique » de la théorie du big bang, regardons ce que l’on fait lorsqu’il s’avère que la quantité de matière dans l’univers est environ cent fois trop petite pour permettre la formation des galaxies. D’un trait de plume, littéralement, on fournit la masse manquante –cent fois la masse estimée de l’univers! – en postulant quelque chose appelée « matière noire »: une substance qui n’interagit pas avec les champs électromagnétiques et n’a encore jamais été observée. Profusion de candidats à la matière noire ont été proposés dans les dernières décennies par d’obligeants physiciens des particules: les axions, higgsinos, photinos, gravitinos, gluons, préons, pyrgons, maximons, newtorites, pépites de quark et nucléarites, pour en mentionner quelques uns. Le problème, c’est que jusqu’ici tous n’existent que sur le papier ! Mais supposons qu’il existe vraiment disons des higgsinos ou des pépites de quark. Cela suffirait-il pour sortir la théorie du big bang de son dilemme ? Certainement pas ! Nombre d’autres problèmes majeurs demeurent.

En outre, chaque nouvelle hypothèse tend à introduire ses propres problèmes qui nécessiteront sans doute l’introduction de nouvelles hypothèses. Il semble peu probable qu’une telle procédure aboutisse; et si elle le fait, on se demandera si l’on a trouvé une vérité ou si on l’a construite, comme quelques philosophes postmodernistes des sciences l’ont affirmé.

Nous n’avons jusqu’à présent considéré qu’une seule difficulté majeure: l’explication de la formation des objets stellaires de grande taille. Pour compléter cette brève revue je vais parler d’une autre situation difficile. Remarquons tout d’abord que lorsqu’il s’agit d’objets stellaires, depuis les étoiles jusqu’aux galaxies et aux amas de galaxies, tout ce dont nous disposons est une lumière émise par les objets en question et perçue par des télescopes, qu’ils soient terrestres ou montés sur satellite.

Par lumière, au demeurant, je désigne une radiation électromagnétique d’une fréquence quelconque, depuis les ondes radio et, enjambant le spectre visible, jusqu’aux rayons X et gamma. En un mot, ce que nous avons ce sont des particules de lumière ou photons, dont chacun détermine un point sur une plaque photographique et comporte une fréquence: c’est tout. Tels sont, si vous le voulez, les faits empiriques réels; le reste est théorie, est question d’interprétation. Cependant la radiation reçue est riche d’informations, dont une partie est tout à fait univoque dans ses implications. On sait par des expériences de laboratoire que la distribution des fréquences émises par un élément chimique, par exemple, est caractéristique de cet élément. Le spectre de l’émission constitue ainsi une signature nous permettant de déceler la présence d’hélium, d’hydrogène ou d’autres éléments dans les étoiles et galaxies. Il arrive toutefois que les spectres reçus de l’espace soient décalés, généralement vers la gauche, sur l’échelle des fréquences, phénomène connu sous le nom de décalage vers le rouge (redshift). Quelle est la cause de ce décalage ? On a longtemps cru qu’il s’agissait d’un effet Doppler, c’est-à-dire que la diminution de fréquence est causée par la vitesse d’éloignement de la source. La situation est supposée comparable à celle du sifflet d’un train approchant, dont le son devient plus grave lorsque le train s’éloigne de nous.

Sur cette base, les décalages vers le rouge ont été interprétés comme la preuve d’un univers en expansion : la cosmologie du big bang est fondée sur cette hypothèse.

Mais il se trouve que dans les quarante dernières années les observations se sont accumulées qui paraissent contredire cette hypothèse. La première mauvaise nouvelle pour le big bang est arrivée en 1963 avec la découverte des sources radio extragalactiques connues maintenant sous le nom de quasars, dont le spectre est fortement décalé vers le rouge, correspondant à des vitesses d’éloignement voisines de la vitesse de la lumière ! On découvrit rapidement cependant que ces quasars sont communément associés à des galaxies dont le décalage vers le rouge est normal, c’est-à-dire faible. Des objets célestes qui, selon la géométrie du big bang, devraient être séparés par des milliards d’années lumière, paraissaient ainsi de proches voisins. L’interprétation Doppler des décalages vers le rouge des quasars est donc devenue suspecte.

Par ailleurs, on a supposé des décalages non Doppler  dans d’autres objets stellaires, jusqu’au niveau des étoiles. Selon un expert : «La plupart des objets extragalactiques ont un décalage vers le rouge intrinsèque.»⁶ Mais ceci voudrait dire que l’hypothèse sur laquelle est basée la cosmologie du big bang – l’affirmation que le décalage vers le rouge des étoiles est égal à la vitesse d’éloignement – a été disqualifiée.

En outre, certains développements sur le plan théorique ont augmenté les doutes. En 1977, Jayant Narlikar, un astrophysicien, réussit à généraliser les équations de la relativité   permettant aux masses des particules fondamentales d’augmenter avec le temps. La théorie prédit alors des décalages intrinsèques causés par la variation de masse de la particule.

L’idée est simple : plus la masse d’un électron est faible, plus sa perte d’énergie sera faible lors du « saut quantique », perte qui correspond à la quantité d’énergie dégagée dans le photon émis. Puisque la fréquence d’un photon est proportionnelle à son énergie, on obtient ainsi un décalage intrinsèque. Au lieu de la relation décalage-vitesse de la cosmologie du big bang, la théorie de Narlikar nous donne une relation inverse âge-décalage, nous permettant une nouvelle interprétation des données.

La relation de Hubble, selon laquelle le décalage est proportionnel à la distance, peut maintenant être comprise puisque les objets célestes éloignés sont observés plus tôt à cause de la vitesse finie de la lumière ; ils tendront donc à avoir de plus faibles masses  et donc de plus grands décalages en proportion de leur distance. D’un autre côté les quasars dont le décalage est très marqué, et qui ne satisfont pas à la relation de Hubble, sont maintenant perçus comme constitués de particules récemment créées, éjectées d’une galaxie active dite de Seyfert.

Ainsi la nouvelle théorie rend justice à tous les faits observés: à ceux qui sont soumis à la relation de Hubble et à ceux qui ne le sont pas. En outre, d’après cette cosmologie l’univers n’est pas en expansion et  il n’a pas évolué à partir d’un fait singulier initial: il n’y a  pas eu de big bang⁷.

Je n’ai pas l’intention de plaider en faveur de l’approche Arp-Narlikar, laquelle a sans doute ses difficultés propres. Mon objet est seulement de montrer que l’un des principaux problèmes de la cosmologie du big bang est de justifier l’interprétation Doppler du décalage vers le rouge des étoiles, difficulté qui, finalement peut s’avérer insurmontable dans l’hypothèse du big bang.

Beaucoup d’astrophysiciens sont sans aucun doute troublés, mais peu sont prêts actuellement à abandonner la doctrine officielle.

Bien sûr, une poignée de scientifiques éminents a ouvertement déclaré la mort de la cosmologie du big bang⁸ et même le journal scientifique conservateur Nature a publié un éditorial sous le titre «A bas le Big Bang !» Mais jusqu’ici de telles expressions occasionnelles de désaccord n’ont eu que peu d’effets sur l’establishment astrophysicien; trop de carrières sont, semble-t-il, en jeu. (à suivre)

(Traduit par Claude Éon de The Wisdom of Ancient Cosmology. Foundation for Traditional Studies, 2003. Chapitre VII : The Pitfall of Astrophysical Cosmology)

1 Wolfgang Smith obtint à l’âge de 18 ans son B.A. en mathématiques, physique et philosophie de l’Université Cornell (Ithaca, N.Y.). Deux ans plus tard il obtenait son M.S. en physique à Purdue University (Indiana). Il poursuivit ses recherches en aérodynamique et ses travaux permirent la solution du problème de la rentrée dans l’atmosphère des vaisseaux spatiaux. Après avoir obtenu son Ph.D. de mathématiques à Columbia University (N.Y.) le Dr Smith enseigna au M.I.T., à l’U.C.L.A. et à l’Oregon State University jusqu’à sa retraite en 1992. Il a publié de nombreux articles de mathématiques sur la topologie algébrique et différentielle. Depuis toujours W. Smith manifeste un intérêt soutenu pour la philosophie et la théologie. Tôt dans sa vie il éprouva un attrait pour Platon et les néoplatoniciens, puis il séjourna en Inde afin de se familiariser avec la tradition védique. Il se consacra ensuite à la théologie et à la métaphysique catholiques. Outre ses nombreux articles, W. Smith est l’auteur de quatre livres: Cosmos and Transcendence (1984), Teilhardism and the New Religion (1988); The Quantum Enigma (1995,rev.ed. 2005) et The Wisdom of Ancient Cosmology (2003). Son souci principal est de démasquer les conceptions scientistes prises de nos jours pour des vérités scientifiques.  

* Vision du monde, en allemand.

2 Mgr Georges Lemaître, physicien, élève d’Arthur Eddington, était un chanoine belge, enseignant à Louvain. Ses spéculations sur « l’atome primitif » – curieux mélange de physique et de philosophie – semblent avoir été bien accueillies dans les milieux ecclésiastiques, à en juger par le fait qu’il fut peu après nommé Président de l’Académie Pontificale des Sciences. L’idée du big bang, curieusement, remonte au poète Edgar Allan Poe (1809-1849), qui était aussi grand amateur de science. Pour répondre au problème de l’effondrement gravitationnel, il avait proposé en 1849 que l’univers prît naissance dans une explosion.

3 De même que Stephen Hawking avec son A Brief History of Time (1989), Gamov confia sa vision de l’univers à toute une génération avec un livre intitulé One, Two, Three, Infinity (1974), qui devint un best-seller scientifique.

*Ndlr. En réalité c’est lui, Gamov, qui donna le nom de « big bang » à la théorie de Lemaître.

4 Par exemple, lorsque les astronomes découvrirent des écarts entre les orbites planétaires observées et les trajectoires prédites par la physique de Newton, ils supposèrent que ces déviations étaient dues à un objet non encore identifié. L’hypothèse se vérifia en 1930 avec la découverte de la planète Pluton.

5 Il peut être expliqué, par exemple, par la théorie de l’état quasi stationnaire de Burbidge, Hoyle et Narlikar (Cf. Physics Today, Vol.52, N°4, April 1999, 38-44) ou par la physique du plasma de Hannes Alfvén (Cosmic Plasma, Hollande: D. Reidel, 1981), toutes les deux apparaissant comme des alternatives viables à la cosmologie du big bang.

6 Halton Arp, Seeing Red: Redshifts, Cosmology and Academic Science (Montreal: Apeiron, 1998), 95. Halton Arp est un astrophysicien américain, une des plus grandes autorités sur les quasars. Mais lorsqu’il commença  à douter ouvertement de l’interprétation Doppler des décalages, il devint rapidement persona non grata au moins aux États-Unis. Il travaille maintenant à l’Institut Max Planck d’Astrophysique de Munich. Ses livres constituent une aide précieuse pour y voir clair dans un domaine où il est de plus en plus difficile de séparer le fait de la fiction.

7 Ibid. 225-233.

8 Au premier plan parmi cette poignée de savants dissidents se trouvait feu Fred Hoyle (1915-2001), longtemps Directeur de l’Observatoire de Greenwich et l’un des pionniers originaux de l’astrophysique