TOPOLOGIE COSMIQUE III – Mousse quantique ?

DANS LE CALME APPARENT…
Une grande agitation

Dans Le chaos et l’harmonie, Trinh Xuan Thuan indique que l’Univers serait né grâce à une fluctuation quantique, à partir d’un vide infinitésimalement petit et d’un temps immesurable. C’est cette singularité initiale, dont il est question dans la section Vers la singularité : « Les courageux physiciens qui y ont fait des incursions préliminaires rapportent que dans la singularité, le couple espace-temps, si solidement soudé auparavant, se brise. Le temps cesse d’exister. Nous ne pouvons plus dire qu’un événement est survenu avant ou après un autre, car les concepts d’avant, de maintenant et d’après n’ont plus de sens. Séparé du son partenaire temps, l’espace n’est plus qu’une sorte de mousse sans forme définie. Sa courbure et sa topologie deviennent chaotiques et ne peuvent plus être décrites qu’en forme de probabilités (p. 294) ».

Ceci nous ramène à deux définitions contraires et paradoxales du temps, telles que soulignées par Albert Jacquard, dans La science à l’usage des non scientifiques :

• Le temps, c’est ce qui se passe quand rien ne se passe – Feynman.
• Je ne sais pas ce qu’est le temps, mais je sais que si rien ne se passait, il n’y aurait pas de temps passé – Saint-Augustin.

L’illustration plus haut est d’ailleurs intitulée Mousse quantique. Ce thème est repris par plusieurs auteurs, sous plusieurs formes, mais toute réflexion à son sujet nous conduit invariablement à un constat : il est difficile de se représenter ce que pourrait être une telle fluctuation, étant donné que nous avons affaire au vide d’une part et à une échelle inaccessible à l’observation, d’autre part. On demeure dans le flou jusqu’à ce qu’une image puisse retenir notre attention, puisque nous tentons souvent de traduire les concepts en image, dans notre culture. En tentant de pénétrer les mystères de la mécanique quantique, ceux du principe d’incertitude de Heisenberg ou à la limite le concept de fluctuation quantique à l’échelle de Planck, il semble qu’on a besoin d’un minimum de référents pour pouvoir se représenter des phénomènes, même si les représentations graphique ne capturent pas en entier l’essence du propos; la carte n’est jamais le territoire.

Pourtant, les concepts théoriques sont souvent plus intéressants à explorer à travers une allégorie visuelle,  la mécanique quantique étant un des champs d’investigation les plus fascinants de la cosmologie contemporaine. Nous sommes habitués d’imaginer l’espace comme quelque chose de lisse, comme un vide inexplicable, qui ne pourrait surtout pas s’étirer par exemple, en étant assis dans son fauteuil en face de quelqu’un d’autre. Dans le confort de notre échelle de grandeur tout semble si simple.

Luminet, dans son exposé, ouvre aussi la porte sur des modèles cosmologiques alternatifs, en indiquant que l’Univers ne pourrait être qu’une goutte matérielle d’une telle fluctuation quantique, provenant d’un vide quantique éternel, sinon intemporel. Rien n’empêcherait d’ailleurs qu’une quantité infinie d’Univers, auxquels nous n’avons pas accès,  d’une durée extrêmement brève – quelques milliardièmes de seconde – ou infinie, puissent aussi naître de ce vide quantique.

TOPOLOGIE COSMIQUE
Un espace pour l’imaginaire

Ces derniers mois, avant de m’endormir, j’ai souvent tenté de me représenter cette espèce de vide quantique comme une vaste toile tissée de fils extrêmement fins, se croisant dans une immense toile cosmique, tendue vers l’infini dans toutes les directions. Presque invisibles, ils oscillaient dans une espèce de flou vibratoire, avec de petits noeuds scintillant aléatoirement sur chacune des intersections. Il y a une musique ambiante qui réussit à traduire métaphoriquement cette plongée dans ce mystérieux moment de création du Monde. Une pièce très peu connue de Vangelis – Atom Blaster – sur l’album Invisible Connections, plonge l’auditeur dans une série aléatoire de petites effluves sonores, qui entrecoupent de nombreux moments de silence.

Contrairement aux musiques comportant des lignes mélodiques articulées sur le temps, c’est comme s’il y avait de temps à autre apparition d’une fluctuation harmonique sur un espace musical moins articulé, qui ne cherche pas à répéter une rythmie à laquelle on s’habitue. Qu’est-ce que cela veut dire. Vous écoutez la neuvième de Beethoven souvent, ou toute autre pièce. Un sens de l’anticipation de la prochaine note vous permet de suivre, de recréer la mélodie, et même de la chantonner mentalement, une fois la pièce terminée. Mais ce sens de l’anticipation disparait totalement en écoutant Atom Blaster – son sens aléatoire ne disparait pas. C’est pour cela que c’est une belle illustration sonore du vide quantique, de ces fluctuations, mais en allégorie musicale. Écoutez. Vous comprendrez.

Pour qui ne serait averti, elle pourrait paraître  complètement insensée, mais en considérant la nature des fluctuations quantiques, elle prend une signification toute particulière. Ce fut la Deutsche Grammophon, associée alors à la musique classique, qui prit l’initiative d’éditer cette oeuvre tout à fait avant-gardiste, en 1985. Pendant que vous lisez sur les insondables mystères du vide intersidéral, cette trames sonore peut vous créer une ambiance exceptionnelle.

DE LA MOUSSE QUANTIQUE
Vers une cosmologie humaniste

Chaque intersection  potentielle dans ce vide quantique imaginé était comme un infime perle, suspendue dans l’espace, comme le propose l’allégorie du filet d’Indra, dans le sutra Avatamsaka ce filet cosmique de perles de verre qui se reflètent les unes dans les autres. « On dit que dans le paradis d’Indra, ily a un treillis de perles, disposé de telle manière que si vous en regardez une, vous y voyez le reflet de toutes les autres. De même, chaque objet du monde n’est pas seulement lui-même mais comprend tous les autres et est véritablement tout le reste. Dans chaque particule de poussière sont présents d’innombrables bouddhas (Capra, Le Tao de la physique 1979 : 301) ». Mais tout à coup, cet espèce d’espace calme et oscillant à la fois explose, car à une des infimes connexions, une espèce de court-circuit survient et tout l’espace devient soudainement embrasé. Une espèce de peinture Escher cosmique. Voilà un enchaînement d’allégories qui me venait à l’esprit, avant d’avoir vu ces illustrations de vaguelettes, qui changent maintenant ma perception d’un moment initial, sachant maintenant que le Big Bang est une explosion de temps et d’espace. Le sachant, certes, mais ne le comprenant pas tout à fait : c’est sans doute l’aspect le plus difficile à s’imaginer, à se représenter.

Désormais, la mousse quantique retient de plus en plus mon attention comme représentation adéquate d’un vide occupé par une énergie en mouvement aléatoire : les fluctuations quantiques. Mais toutes ces théories passionnantes sont aussi des constructions non seulement de l’esprit des scientifiques, mais les miennes aussi, une espèce de rafistolage intellectuel, un assemblage inédit en fonction des paramètres propres à ma curiosité intellectuelle que je partage presque anonymement pour le moment.

Cette vision du filet d’Indra nous conduit aussi à une vision plus humaniste, dont il est question dans la pensée Huayan, dans une vision où tous les éléments sont en interaction :

• Simple et directe appréhension du phénomène.
• Vision de tous les phénomènes comme dépourvus de nature propre.
• Réalisation que tout est impliqué dans un rapport de causalité, tout est à la fois résultat et cause d’autres phénomènes.
• Réalisation que les phénomènes s’interpénètrent et s’imbriquent partiellement l’un dans l’autre, notion transcrite dans la métaphore du “filet d’Indra“, dont chaque nœud est un joyau à multiple facettes qui reflète les autres nœuds.

Cette fluctuation quantique, ce chaos de vaguelettes qu’on imagine, se manifeste aussi au niveau de nos vies humaines, autant de manifestations énergétiques de l’Univers que je ne peux ni voir, ni sentir, ces milliards d’être pensants autour du globe qui constituent une pensée en évolution. La prochaine fois que vous visitez une bibliothèque publique, méditez devant ces longues rangées de tables, où des centaines de cerveaux sont penchés devant leur portables, ces derniers reliés par Wi-Fi à Internet. Il y a de quoi à s’étonner de nous voir tous penchés ainsi à lire, étudier, écrire et partager. Ceci commence à m’émerveiller encore plus, non ces énergies fondamentales permettant la cohésion des atomes, mais celles de nos esprits qui communiquent. Après avoir passé près de deux ans à explorer la cosmologie, les galaxies et nébuleuses, peut-être dois-je aussi m’intéresser encore plus à ces autres poussières d’étoiles, ces nous, ces vous, ces tu, ces toi qui m’entourent.

La topologie cosmique est certes un sujet intéressant, mais pour le moment, un quatrième billet sur ce thème est peu probable. Il y a d’autres pistes en vue… histoire de me surprendre et de vous surprendre. Il ne s’agit que de recenser les récits originels pour constater la richesse de l’imaginaire humain, à travers différentes cosmologies scientifiques ou mythologiques,  pour constater que nous avons encore de quoi nous asseoir longtemps dans nos bibliothèques… une fois qu’on comprend qu’il n’est pas possible de comprendre l’Univers dans tout ces mystères, on vient de comprendre quelque chose d’essentiel; à moins que nous l’ayons compris déjà, mais tout en ayant de la difficulté à comprendre cela. Paradoxe, Koan ? Peu importe, il y a plaisir à y ajouter quelques mots, quelques doutes, quelques nouvelles incertitudes…

NIVEAU 201 – Bibliothèque de signets

Luminet - Topologie cosmique

 

Plomberie cosmologique ?

Version 2 : révisée le 12 mai 2007

 1. Rappel…

Le blogue univers zéro un a été jusqu’à ce jour un lieu de partage des carnets de notes et des recherches personnelles de l’auteur, et non un carnet quotidien visant à livrer uniquement de courtes impressions. Au lieu de garder ses notes pour lui, l’auteur les diffuse selon son humeur et sa disponibilité; il est occupé aussi à bien d’autres affaires…

Jusqu’à date, la cosmologie a été abordée sous son angle scientifique, afin de cerner les grandes questions théoriques, les enjeux cruciaux et les grands débats de fond en cours. Toutes ces perspectives contribuent à l’évolution de notre conception du cosmos, que se soit sur le plan individuel ou collectif. Même si la cosmologie scientifique bénéficie de nouvelles avancées périodiquement, ce premier cycle de lectures sur ce thème doit être considéré comme clos provisoirement. Certains articles seront révisés pendant la prochaine année, ainsi que les renvois associés dans la bibliothèque de signets. Considérez que certaines perspectives de la cosmologie scientifique n’ont pas été abordées; d’autres propositions de lecture sont en réserve… En parcourant le pavé à droite du blogue, vous pourrez retrouver, dans la section Thèmes de rédaction, une variété d’articles traitant des des question, enjeux et débats les plus intéressants, en plus de pouvoir accéder aux renvois contenus dans les articles et dans la bibliothèque partagée de signets.

Par exemple, la série récente d’articles sur la topologie cosmique, traitant des enjeux principaux dans ce domaines, tels que vus par Jean-Pierre Luminet, a été aussi inspirée des oeuvres de Salvador Dali, a permis de parcourir les premiers pas d’une transition du discours scientifique vers le discours artistique, histoire d’élargir les perspectives.

De nouvelles pistes s’ouvriront en abordant de nouveaux thèmes.

La cosmologie : des humains et des dieux, aussi !

La cosmologie scientifique n’est pas la seule perspective permettant d’interpréter les structures de l’Univers dans lequel nous habitons. Nous pouvons l’appréhender sous l’angle de la cosmologie symbolique. Les nombreuses théories cosmologiques, qu’elles soient d’ordre scientifique ou symbolique, s’inscrivent en quelque dans une vision plus large, anthropologiquement parlant : les systèmes de représentations de l’Univers.

La cosmologie est doc un point un point de vue, un concept, une vision du monde  La cosmologie scientifique repose sur des observations instrumentales et sur des calculs mathématiques, tandis que la cosmologie symbolique fait appel à notre imagination et à notre capacité d’inventer des mythes et des rites.

Nos comportements quotidiens nous le rappellent : devant ce grand mystère du cosmos, ils sont conditionnés par une grande variété de systèmes de représentations auxquels nous nous référons. Ne serait-ce qu’en acceptant de se rendre à un observatoire pour regarder les étoiles à travers une lunette astronomique ou en choisissant à un autre moment de se rendre dans un oratoire ou un temple pour allumer un lampion ou un bâton d’encens, pour implorer ou honorer ces divinités qui nous sont inconnues et qui n’existent que le temps que nous y croyons, nos comportements varient en fonction de notre perception du moment; on pourrait croire qu’ils sont orientés, à partir du canal d’observation qui nous est particulier, les humains : notre conscience cosmologique.

2. Premier exemple : le cerveau, la machine à créer nos expériences de l’Univers

Cette conscience cosmologique peut par exemple nous conduire à des expériences qui ne s’inscrivent pas dans le monde rationnel où sont nécessaires les images, les représentations précises de phénomènes physiques ou les preuves mathématiques. Pour certains, ce serait se permettre de rentrer au vestibule de l’irrationnel ou de l’émotionnel simplement dit. C’est comme si on s’adresssait alors à notre cerveau mystique - pour paraphraser le titre d’un documentaire exceptionnel de l’ONF. Le cerveau nous conduirait alors sur un chemin étrange, né de notre besoin d’une expérience intérieure de l’Univers, ne reposant pas seulement sur notre raison mais aussi sur nos émotions. Que ce soit l’angoisse devant le vide sidéral ou l’émerveillement devant les splendeurs de la nature, il est impossible d’y demeurer insensible.

Ouvrez les robinets de votre douche, enclenchez le clapet dirigeant l’eau vers le pommeau et sentez que l’eau, ce coktail de molécules d’oxygène et d’hydrogène – dans une perspective scientifique – peut aussi être aussi perçue comme une espèce de bénédiction du ciel, un privilège et un rituel d’ablution quotidien vous dépouillant de vos impuretés. Voilà que nous nous retrouvons maintenant du côté de l’Univers symbolique, Non seulement serions-nous en présence d’un élément vital pour le corps et pour la vie, mais aussi d’un élément vital dans le monde symbolique, intégré à plusieurs mythes et rites.

Donc, on peut aborder et apprécier autant les vertus physiques que ses vertus symboliques de l’eau; cet élément du cosmos prend donc un sens différent selon l’angle dans lequel nous nous situons pour en goûter les vertus ! L’eau n’est qu’un exemple parmi tant d’autres. On peu penser au bestaire des constellations, aux forces attribuées aux planètes et aux étoiles… la liste peut s’allonger, mais nous demeurons toujours dans le domaine de la cosmologie.

3. Pour un élargissement de la cosmologie

En adoptant une définition élargie, la cosmologie, dans les mots d’Aristide Quillet, serait « l’étude des lois de l’Univers ». Mais, dans un souci de précision, on pourrait considérer également que la cosmologie est aussi une métaphysique du monde, qui tenterait d’établir des fondements philosophiques à ces grandes lois. Quand nous désirons non seulement comprendre les lois de l’Univers, mais aussi ses origines, il est alors possible de parler de cosmogonie, qui pourrait aussi bien désigner un système «irrationnel (une vision mythologique)» (sic) qu’un système rationnel, scientifique.

Cette définition a pour conséquence d’expédier aussi les théories scientifiques des origines de l’Univers dans le champ de la métaphysique : tout phénomène non démontré scientifiquement, i.e. expérimentalement et hors de tout doute, demeurerait ainsi dans ce champ. On voit déjà ici une levée de boucliers, comme si les scientifiques étaient les uniques détenteurs du privilège d’établir le fondement des lois de l’Univers ! En parcourant les différents articles de ce blogue, vous pourrez pourtant constater que maintes propositions scientifiques sont indémontrables expérimentalement, que ce soit la topologie cosmique ou la théorie des cordes. Donc, sans prendre parti, et croyant fermement que les astrophysiciens font tout en leur pouvoir pour que leurs théories soient vérifiables, ne serait-il pas préférable dès lors de qualifier la cosmologie de deux épithètes : scientifique et symbolique?

Pourtant, les frontières entre la vision scientifique et la vision symbolique du cosmos sont parfois perméables, car elles nous placent devant une même question, mais avec nuance. Dans un cas comme dans l’autre, on se demanderait « qu’y avait-t-il avant le Big Bang  » ou « Qu’y avait-il avant Dieu » ? Peu importe. Ou on pourrait choisir de répondre par une boutade, comme a choisi de le faire Albert Jacquard, inspiré de son essai La science pour les non-scientifique, en répondant humoristiquement dans une entrevue télévisée de l’émission Second Regard, de la société Radio-Canada : « Mais qu’y avait-il avant ? – Il n’y avait pas d’y avait ! » Une très belle ironie !

4. La cosmologie : des humains sans dieux, aussi !

Dans un monde post nietzschéen, où a été prononcée la mort de Dieu, tandis que les scientifiques nous exposent une vision instrumentale des multiples facettes de l’Univers, les musiciens peuvent aussi enrichir notre réflexion et nous confronter à des dilemmes intéressants. Et cette mort des dieux, telle qu’exprimée dans un opéra de Wagner, pourrait aussi nous amener à reconsidérer la position de la science, dans certains cas…

Pour revenir à cet exemple de l’eau nous lavant efficacement ou nous purifiant symboliquement, c’est qu’elle se (re)présente momentanément ou simultanément comme le résultat des forces cosmiques de l’Univers ou comme ou une offrande des dieux. Hélas, comme on peut le constater dans la tétralogie du Ring (L’anneau du Nibelung) de Richard Wagner, on peut être spectateur de la chute des dieux, si bien exposée dans le volet final du Götterdammerung… Ceci démontre assez bien que le germe de l’omnipotence contient aussi le germe de l’impuissance.

Notre monde moderne se tourne de plus en plus vers les perspectives scientifiques, pour «fabriquer» du sens, reléguant la magie au rang parfois de l’inculture et de la naïveté. Pourtant, même les dieux que nous personifions à travers tant de religons sont soumis à un ordre cosmique, un jeu de lois auxquels ils semblent être soumis eux aussi. Que ce soit les forces qui gouvernent la naissance des étoiles et leur mort – dont nous sommes finalement le produit – ou que ce soit les dieux qui agissent dans un monde idéal régi par ses propres lois, nous savons que lorsqu’un dieu dicte des lois d’un côté de son coeur et les transgresse de l’autre, il perd sa crédibilité devant le panthéon qui l’entoure.

Hélas, à ce moment, il commence ainsi à perdre la confiance des créatures qu’il a créées des ses propres mains afin de palier à ses propres erreurs de comportement; il perd aussi ses fidèles, qui cessent de le vénérer. Comme le rappelle si bien John Tomlinson, inteprétant Wotan dans la version Kupfer Barenboin du Ring, ce dieu puissant vénéré pendant des siècles par les peuples nordiques : « L’existence d’un dieu est très fragile; si les gens cessent d’y croire, il n’existe plus ». Une scène tout à fait spectaculaire de sa démission s’illlustre notamment parmi les moments les plus palpitants de cet opéra, dans la seconde partie, La Walkyrie.

Parallèlement, notre perception de la cosmologie scientifique est aussi soumise à un jeu de lois, selon que nous décidions de souscrire ou non au discours des scientifiques qui, à leur manière, aussi imaginent un ensemble de lois physiques qui peuvent ou non être transgressées afin de soutenir les différents modèles que nous tentons de déduire à partir de nos observations de l’Univers.

Les débats entre les théoriciens de la physique, sur la théorie des cordes, nous placent aussi devant des questions aussi épineuses que celles des dieux nous demandant d’être vénérés. La communauté scientifique vit autant de déchirements qu’entre les différents dieux des multiples panthéons foissonnant dans autant de religions.

Conditionnons-nous notre comportement individuel ou collectif en fonction des théories les plus probantes au niveau de la cosmologie scientifique ou nous comportons-nous encore comme des individus qui ne sont pas soumis à des lois physiques parfois indémontrables, alors que nous serions plutôt prisonniers d’un engrenange de forces que nous ne connaissons-pas ?

5. L’imaginaire : une plomberie hormonale ?

Analogiquement, si nous nous considérons les capacités de notre cerveau pour l’établissement de nouveaux circuits, à travers un réseau de tuyauterie biologique où circulent abondamment différents liquides – une espèce de bouillon d’hormones – la capacité d’établir de nouvelles connexions entre différents thèmes n’est limitée que par les frontières que nous voulons établir ou nou entre les différents secteurs de notre imagination. Remercions ici la synpase chimique qui contribue au décloisonnement de nos idées !

La cosmologie scientifique conduit parfois ses enthousiastes à un enfermement caractéristique, focalisant leur attention par exemple sur la naissance de la vie par la mort des étoiles. Des phénomènes lointains dans l’espace-temps qui ne conditionnent pas nécessairement le comportement quotidien. À vrai dire, cela les éloigne parfois des êtres qui sont près d’eux, alors quue ces derniers attendent parfois réponse à leur invitation à entrer en contact… « Non, je ne suis pas disponible pour le moment. Je suis dans une autre galaxie » pourrait-on sous-entendre de leur messagerie vocale. Mais comment cet intérêt pour les phénomènes si lointains dans l’espace-temps nous fait-il oublier le merveilleux de l’Univers, dans ce qu’il y a de plus près : ces êtres qui nous entourent et qui veulent nous parler ?

Dans cette quête de sens, la cosmologie symbolique fournira donc une perspective nouvelle qui élargira notre regard sur le monde, dans la seconde année du blogue, après une période de repos et de médiation.

La préparation de ce nouveau cycle de publication est en route depuis l’automne 2006. Elle a permis à l’auteur de passer une partie de l’hiver à la Grande Bibliothèque - oasis merveilleux pour la réflexion et l’étude, d’emprunter des dizaines et des dizaines de volumes et de remplir quatre carnets de notes Moleskine. Donc, il ne manque pas de matériel pour alimenter ce blogue, mais plutôt de temps !

Suite à ces lectures et ces consultations, vous serez donc menés sur de nouvelles terres. Que ce soit des considérations à la fois désopilantes et scientifiques de Salavador Dali, des commentaire surprenants sur l’art cosmologique ou des méditations philosophiques datant de plusieurs siècles, qui s’expriment dans les évocations cosmologique du mandala kalachakra, ce cercle sacré tibétain, il n’y a aucun doute : l’Humain n’a de cesse de manifester son étonnement devant le cosmos. Dans le dernier cas, il s’agit dobserver un groupe de moines bouddhistes passer des jours entiers à tracer un mandala, avec de minuscules grains de riz, des figures géométriques non seulement extraordinaires dans leur précision, mais aussi très chargées symboliquement pour constater notre émerveillement. Cela ne diminue en rien les extraordinaires contributions des artistes de l’informatique, en cosmologie computationnelle, qui consacrent aussi beaucoup d’énergie à produire des simulations tridimensionnelles et animées de différents phénomènes cosmologiques.

Toute activité humaine tournée vers notre émerveillement et notre quête de compréhension mérite sa place au soleil !

Au cours de cette prochaine année, vous pourrez ainsi constater que ce ne sont pas seulement les astrophysiciens de notre siècle qui peuvent réfléchir à des univers multiples ou des cosmos de type multivers, même les bouhistes y songeaient… bien avant nous… nous reviendrons donc sur ces sujets dans les prochains mois. Ici ne s’entrouvre qu’une porte…

Scientifique ou mystique ? Comment vous situez-vous ?

 

TOPOLOGIE COSMIQUE II : L’univers est-il chiffonné ?

Depuis la publication des résultats d’observation des missions COBE et WMAP, et encore plus depuis l’attribution du prix Nobel de physique 2006 à Smoot et Mather, combien de fois nous a-t-on répété que nous vivons dans une espace euclidien ? Il faut alors se demander qu’est-ce qu’un espace euclidien; s’interroger sur la forme de l’espace est une question fascinante, même si elle n’est pas facilement abordable. En élargissant la portée de cette question, on s’aperçoit qu’elle touche l’ensemble des problèmes reliés à une représentation adéquate de la forme globale de l’espace qui serait occupé par l’Univers. On comprend alors qu’une révision exhaustive de nos conceptions habituelles de la géométrie et des mathématiques est requise.

Cette remise en question du système de représentations de l’espace, élaboré par les scientifiques, est à l’origine d’un essai audacieux de l’astrophysicien Jean-Pierre Luminet : L’Univers chiffonné. Publié en format poche et en français, il nous introduit à la topologie cosmique, une discipline de recherche orientée sur l’évaluation de la taille et de la forme de l’Univers, une des plus grandes questions de la cosmologie. Cet essai en est à sa seconde édition, revue et augmentée. Écrit originalement après la publication des résultats d’observation de la mission COBE, une postface a été ajoutée pour tenir compte des résultats de WMAP.

Il aborde une question primordiale aux multiples conséquences épistémologiques, la principale étant le bouleversement notre manière habituelle de percevoir l’espace : «L’espace serait-il chiffonné au point de créer des images fantômes des lointaines galaxies ?» – question tout à la fois troublante et passionnante. Les conséquences de cette question sont effectivement troublantes, puisqu’elle nous confronte à la nature même des données des observations téléscopiques et radioscopiques des objets célestes. L’espace réel de l’Univers pourrait-il être plus petit que celui que nous croyons observer ? Comment serait-ce possible ? Et surtout comment contourner les multiples objections, devant un point de vue qui pourrait paraître aussi marginal ?

Pour avoir un avant-goût du contenu de cet essai, Jean-Pierre Luminet expose l’essentiel de sa théorie topologique dans une narration de quarante-cinq minutes, hébergée dans la section Paroles d’astronomes du site CieletEspace.fr. Il en profite aussi pour révéler les obstacles se pointant à l’horizon pour pouvoir la soutenir par des observations. Ce directeur de recherche au CNRS, attaché au Laboratoire Univers & théories à l’Observatoire de Paris, brosse rapidement un panorama des principaux enjeux de la cosmologe moderne. On passe de l’espace rigide de Newton, sans structure et euclidien, à l’espace-temps flexible et interactif de Einstein, sculpté par la matière. On comprend dès lors que les objets célestes se meuvent dans un espace cosmique à topologie variable. C’est une des explications les plus convaincantes pour qui ne serait pas familier avec ce changement majeur de paradigme cosmologique survenu au début du XX^ème siècle.

Il n’est pas possible d’évacuer ce fait que la nouvelle cosmologie relativiste comporte pourtant des limites très difficiles à surmonter, notamment cette réconciliation tant attendue entre les théories traitant des phénomènes se déroulant dans l’espace sub-planckien (en deçà de 10^-33 cm.) et celle traitant des phénomènes survenant à l’échelle cosmique, rappelle-t-il. Luminet réussit pourtant à jeter un éclairage novateur, au delà de la complexité des débats qui mobilise actuellement la communauté scientifique.

En dépit de ces limites, il nous guide à pas feutrés sur son terrain, son dada pour reprendre ses propres termes: l’espace chiffonné, qui pour le moment demeure une réflexion théorique sur la topologie cosmique. Ce nous conduit bien sûr à l’avant-garde des observations actuelles. Les avancées des modèles mathématiques auxquels a recours la topologie cosmique pourraient se comparer aux avancées d’autres modèles mathématiques, comme le furent les travaux de Riemann sur la géométrie de l’espace qui précédèrent la théorie de la relativité de Einstein. Rappelons qu’au moment où Einstein conceptualisa la courbure espace-temps, il ne disposait pas d’un cadre théorique au niveau de la géométrie. Mais comme les théoriciens sont toujours à l’avance, des percées exploratoires qui semblent difficile à concevoir trouvent parfois des applications concrètes par la suite. C’est dans cette perspective qu’il faut saisir le modèle théorique qu’i propose de l’espace.

Cette théorie est certes avant-gardiste, en proposant que la taille de l’espace réel soit plus petite que celle que les scientifiques ont l’impression d’observer aujourd’hui. Elle a pourtant retenu l’attention de magazines comme Scientific American et de revues scientifiques à comité de lecture comme Nature. Des articles récents sont aussi disponibles en pré impression, sur le site arxiv.org.

Les fondements de sa théorie s’appuient sur un cadre analytique novateur, dont deux méthodes comparatives à partir des données observationnelles actuelles.

La première est la cristallographie cosmique, où le défi serait d’identifier des structures répétitives d’objets célestes, en se basant par exemple sur les données d’inventaire telles que le Sloan Digital Sky Survey. La seconde, s’appuierait sur l’identification de cercles communs entre des sphères répétitives d’espace, plus ou moins superposées, à partir des données observationnelles de COBE & WMAP.

REPENSER LA TOPOLOGIE
Au delà des modèles courants.

Avant d’explorer précisément les mirages topologiques, le premier tiers de l’ouvrage – les quinze premiers chapitres de l’Univers chiffonné – constitue une introduction exceptionnelle à la topologie, permettant de réaliser qu’il est possible d’envisager d’autres configurations de l’espace que les trois modèles habituellement proposés dans les ouvrages traitant de cosmologie. Il n’est pas suffisant, selon Luminet, de s’interroger uniquement sur la courbure potentielle de l’espace. Les assises sur lesquelles Luminet s’appuie sont accompagnées d’un avertissement crucial : pour savoir si l’Univers est fini ou infini, il ne suffit pas de déterminer sa métrique ou sa courbure spatiale, il ne suffit pas non plus de comparer uniquement son paramètre de densité et établir si il est inférieur, égal ou supérieur à 1. Des hypothèses supplémentaires sont nécessaires : celles de la topologie. Il nous fait explorer des modèles concurrents; on passera ainsi du cylindre à la fougasse, puis ensuite à des formes fascinantes, plus particulièrement l’hypertore, en examinant pour chaque modèle quelles en sont les possibilités et les conditions d’existence.

La structure de son essai s’apparente à la complexité des topologies qu’il propose, en nous sortant de la linéarité des raisonnements, car il nous invite à y circuler par des renvois fréquents à des chapitres ou des sections précédents ou subséquents. Un réseau de trous de vers, sous forme de renvois, nous conduit instantanément à des détails qu’on voudra réviser ou non. En étudiant cette partie de l’ouvrage, on peut se retrouver par exemple au trente neuvième chapitre où il critique assez sévèrement la notion d’Univers plat, telle qu’on l’annonce dans la communauté scientifique depuis l’an 2000. Il faut donc faire preuve d’une grande ouverture d’esprit en lisant cet essai et franchir de nombreuses barrières au niveau de notre compréhension des phénomènes pour finalement admettre que son approche mérite attention.

CRISTALLOGRAPHIE COSMIQUE
Le hall des miroirs et des fantômes

Les assises de cette première méthode comparative s’appuient sur l’existence des mirages gravitationnels, qui sont le produit des lentilles gravitationnelles. De manière identique aux mirages gravitationnels, causés par la déviation de la lumière par des objets massifs comme les trous noirs, les propriétés topologiques de l’Univers pourraient aussi produire des images fantômes, comme si on observait l’ensemble de l’Univers à travers une espèce de kaléidoscope gravitationnel cette fois, au lieu d’une simple lentille gravitationnelle. Certains modèles topologiques de l’espace peuvent ainsi permettre l’apparition d’images fantômes. Pour le moment, le modèle privilégié par Luminet est un univers dodécaédrique, selon un modèle d’espace hyperbolique de Seifert-Weiber. En ses propres termes :

Un univers chiffonné a une topologie remarquable qui permet d’identifier l’espace physique à un polyèdre, dont l’image démultipliée constitue le monde des apparences. Représenter la structure de l’espace apparent revient à représenter sa structure «cristalline», dont chaque maille est une reproduction du polyèdre fondamental. [...] Vue de l’intérieur, on aurait l’impression de vivre dans un espace cellulaire pavé à l’infini par des dodécaèdres déformés par des illusions d’optique

Luminet s’inspire de travaux de ses prédécesseurs pour établir les fondements de son interrogation, notamment sur ceux de Karl Schwarzschild qui, dans les années 1900, se demandait alors s’il était possible que notre galaxie, La Voie lactée, puisse se répéter indéfiniment dans un canevas cubique régulier, donnant ainsi l’illusion d’un espace plus vaste que dans la réalité. Ce qui est particulièrement intéressant dans son approche, c’est sa démonstration mathématique et statistique de modèles récurrents et les différentes simulations qui permettent d’établir de manière cohérente quelles sont les probabilités qu’un tel modèle puisse exister. Il ne néglige pas d’exposer simultanément les difficultés d’un tel modèle au niveau observationnel, étant donné que les images fantômes pourraient aussi être affectées par le déplacement apparent des objets célestes, rendant ainsi périlleux la reconstitution des différents motifs de répétition.

DES PAIRES DE CERCLES HOMOLOGUE
Ambitieux décryptage de données

En utilisant cette seconde méthode, il s’agirait d’identifier des structures récurrentes dans la thermographie du rayonnement fossile, en supposant que le même bloc d’espace pourrait y apparaître plusieurs fois, à titre de surface d’intersection entre deux sphères. Cette seconde méthode de recherche s’inspire des travaux de David Spergel et Neil Cornish (Princeton), de Glennn Starkman (Cleveleand) et du mathématicien Jeffrey Weeks. Il s’agirait de repérer des similitudes et les répétitions de motifs, afin d’identifier éventuellement des cercles communs entre de potentielles sphères qu’on tenterait de déceler dans les données des missions d’observation telle que COBE ou WMAP, voire les futures missions telles que PLANCK. On comprend alors qu’il serait nécessaire de passer au peigne fin des quantités incroyables de données sur les motifs de fluctuations de température du fond du rayonnement fossile. Selon la grandeur réelle de l’Univers, est-il possible que de telles superpositions puissent vraiment exister ? On peut même se demander à la limite si cela n’est pas utopique.

À la limite, on pourrait comparer cette théorie aux problèmes de topologie soulevés par les théoriciens des cordes, mais au lieu de se retrouver devant l’indémontrable dans l’infime, on se retrouve devant l’indémontrable dans l’infini ? Les problèmes de topologie se retrouveraient ainsi aux deux extrémités des dimensions de l’Univers – dans l’infime et dans l’infini. Luminet est tout à fait conscient que sa théorie des images fantômes nécessiterait des systèmes informatiques très puissants pour pouvoir repérer ces cercles communs.

AU DELA DE L’ESSAI
Un ouvrage de référence

Ce bref résumé ne peut rendre pleinement justice à l’étonnant argumentaire développé sur près de 500 pages; c’est une invitation à la lecture et à l’étude, mais surtout une prise de conscience qu’un tel essai peut être promu à titre d’ouvrage de référence. Mais même si on s’en tient à l’exposé Parole d’astronomes, il est aisé de concevoir que cette étonnante théorie illustre sans ambiguïté que les scientifiques ne cessent d’investiguer toutes les avenues possibles pour obtenir une meilleure représentation de la topologie cosmique. Il est impossible de prétendre que les représentations actuelles sont là pour rester indéfiniment. Il faut conserver à l’esprit que ce que les Humains observent du ciel aujourd’hui ressemble encore à ce qu’ils ont observé dans les derniers siècles, dans la nuit sombre au dessus de leurs tête imaginative. Nous regardons encore ce qu’il regardaient, mais voyons-nous ce qu’ils voyaient ? C’est dans cette subtile nuance qu’apparaît l’évolution de nos représentations. Dans une formulation plus lapidaire, Chateaubriand ne disait-il pas : «Tout le monde regarde ce que je regarde, mais personne ne voit ce que je vois» ? 

Quoique la démarche proposée par Luminet s’applique à l’Univers observable, tandis que les problèmes reliés à  la théorie des cordes sont dans l’Univers subplanckien, de quel côté y a-t-il le plus de chances de parvenir à une démonstration viable, d’un haut degré de certitude ? Dans les deux cas, on peut aussi se demander comment seraient bouleversées nos représentations symboliques et scientifiques de l’Univers, advenant le cas où des données observationnelles pouvaient un jour soutenir ces théories.

• Dans le prochain article, on passera du chiffon de l’Univers à la mousse quantique et explorerons d’autres facettes de nos représentations.
• On peut aussi consulter l’article précédent – Peindre avec l’espace-temps – pour explorer ce thème sous un angle différent.
• Pour qui aurait un esprit aventureux, un traité complexe et fascinant  de Roger Penrose: The Road to Reality, A complete Guide to the Laws of the Universe, un des ouvrages les plus exhaustifs à ce jour sur les problèmes reliés à la cosmologie.

Apostilles

2007-05-13

Eh oui, des enthousiastes de la XBox s’intéressent même à ce sujet, même si cela peut paraître surprenant. Rendons leur hommage ! 

2008-02-19

Vous pouvez maintenant lire le troisième article de cette sérier: TOPOLOGIE COSMIQUE 3 : Mousse quantique ? ,  où il est question de la compréhension de la géométrie de l’espace et du temps, mais dans des dimensions infimes.

NIVEAU 201
Bibliothèque de signets

Luminet - Topologie cosmique

 

TOPOLOGIE COSMIQUE I : Peindre l’espace-temps

Ce soir, pour la première fois depuis au moins un an,
je regarde le ciel étoilé. Je le trouve petit.
Est-ce moi qui grandit ou l’univers qui se rétrécit ?
Ou les deux choses à la fois ?

SALVADOR DALI
Journal d’un génie

Cet essai impressionniste sur l’espace-temps utilise les métaphores de la photographie, de la peinture et de la musique, dans une perspective non scientifique,  pour nous introduire  aux nouveaux paradigmes de perception abordés dans l’Univers chiffonné de Jean-Pierre Luminet. 

IMAGES DE L’ESPACE TEMPS
L’espace-temps des images

Au niveau microscopique, cette photographie n’est qu’un conglomérat d’atomes, nuages infimes d’électrons tourbillonnant autour du noyau, dans une configuration unique de la pellicule ou du papier à tirage, suite à l’excitation des sels argentiques par les photons. Mais en plus, au niveau macroscopique, devant la lentille du photographe Philippe Halsman, se déroule une mise en scène si surréaliste qu’il lui fallut 26 essais pour capturer, dans une sublime photographie, une vision tout à fait unique de l’essence de l’espace-temps de Salvador Dali !

Considérons-la momentanément comme un allégorie visuelle extraordinaire du principe d’incertitude de Heisenberg, une des portes d’entrée de la cosmologie contemporaine. Nous savons désormais, comme l’énonce Fritjof Capra dans Le Tao de la physique, “qu’au niveau subatomique, la matière n’existe pas avec certitude à des places définies, mais manifeste plutôt une «tendance à exister», et les événements atomiques ne surviennent pas avec certitude, mais manifestent plutôt des «tendances à survenir»”. On pourrait croire que ce concept fondamental de la mécanique quantique apparaît ici à notre échelle, dans cette photographie, à travers cette improbable juxtaposition d’objets capturés dans l’espace-temps. Pourrait-on conjecturer que ces chats fussent empruntés à Scrhödinger ?

Mais comme si cela n’était pas suffisant, on ne parle plus désormais de l’espace et du temps, mais bien de l’espace-temps, ces dimensions étant désormais indissociables. De telle sorte que dans cet espace-temps pictural, ces quatre dimensions sont figées irrémédiablement et astucieusement sous la forme d’une seconde allégorie pouvant nous rappeler que le Big Bang, cet instant de création fut avant toute chose une explosion d’espace-temps et non une explosion dans l’espace et dans le temps. Ainsi pourrait-on qualifier cet instant de création de Halsman, une explosion d’espace temps ayant laissé ses traces dans un portrait mémorable, fort justement intitulé Dali Atomicus.

Ce dernier siècle nous aura habitué à la naissance de nouvelles théories et de nouvelles images, telles que celles offertes par la cosmologie observationnelle. Elles s’inscrivent petit à petit dans la mémoire collective des Humains, comme ces représentations des premiers moments de l’Univers, par exemple. Cette variété de cartes thermographiques et spectrographiques, issues du traitement des données accumulées pendant les missions d’observation des sondes COBE et WMAP, rappelle que les scientifiques scrutent avec succès et avec de plus en plus de précision l’écho du rayonnement fossile de l’Univers. Elle apparaissent fréquemment dans les publications traitant de cosmologie, illustrant en fait les rides du temps, ces petites anfractuosités de l’Univers primordial.

Pour résumer brièvement, les cosmologistes croient que ces rides – ces infimes fluctuations de densité de la matière primordiale – combinées à la gravité, auraient conduit à la formation d’agglomérats se structurant en un réseau filamenteux pour produire les premiers amas de proto galaxies, berceaux des étoiles.

Ainsi, les données recueillies pendant ces missions d’observation orientent le travail d’autres scientifiques dédiés à la cosmologie computationnelle, leur permettant d’élaborer des scénarios de formation des premiers amas, en tentant de les représenter dans un espace tridimensionnel.  Ce genre de simulation cosmologique permet finalement d’extrapoler également l’existence de cet immense réseau de galaxies, s’étendant sur des distances astronomiques : des milliards d’années-lumière. Même si elles ne sont que des représentations d’un phénomène physique, et en dépit du fait que l’interprétation de leur contenu n’est pas toujours aisée, ces images marqueront à jamais l’histoire de la cosmologie. Il est difficile, pour la plupart des gens, de concevoir comment plus d’une centaine de milliards de galaxies, plusieurs comportant aussi plus de cent milliards d’étoiles, peuvent s’étendre dans l’espace; ces nombres dépassent l’entendement.

Mais ces images émanant du monde scientifique, de manière identique à ces médiévales cartographies célestes maintenant accrochées dans les musées – réels ou virtuels – indiqueront aux générations futures que notre quête de sens ne cesse de modifier nos représentations. Nous sommes passés des enluminures du Moyen Âge aux subtilités de l’interprétation de données numériques, recueillies par des capteurs voyageant dans l’espace intersidéral. Elles n’en demeurent pas moins le produit de notre besoin de nous représenter visuellement l’Univers dans lequel nous habitons.

En deux métaphores visuelles, parmi tant d’autres aisément accessibles sur le réseau Internet, se résument ainsi un long chemin parcouru par la matière, pendant des milliards d’années, pour nous conduire ici et maintenant ! Dans un article précédent, quelques questions ont été abordées relativement à la géométrie de l’espace de l’Univers. Il faut reconnaître que sa topologie, c’est à dire sa forme globale, dépend de ces rides se manifestant dans son état primordial.

Ce problème topologique se pose différemment selon l’échelle à laquelle on désire le traiter. Le langage écrit et la grammaire visuelle peuvent parfois conduire à des erreurs d’interprétation et à une distorsion de nos représentations. Suffit-il de rappeler que nous interprétons des objets en trois dimensions dans un domaine à deux dimensions sur la page ou à l’écran. En plus, la topologie cosmique est une discipline assez nouvelle, si on la compare à d’autres disciplines auxquelles recourt la cosmologie. Des perspectives novatrices sur la résolution de ce problème sont d’ailleurs proposées par Jean-Pierre Luminet, auteur de L’univers chiffonné.

Avant de discuter de cet essai, un retour dans l’histoire de la photographie et de la peinture peut servir de cadre de référence, alors que s’amorce un virage de notre interprétation de l’espace-temps. Cette histoire nous aide à comprendre comment la révolution de l’espace pictural peut influencer notre compréhension des phénomènes cosmologiques, puisque le langage des images est en mutation.

PEINDRE AVEC LA LUMIÈRE
L’abandon du mode figuratif

Cette survivance d’une des premières photographies de William Henry Fox Talbot - la fenêtre Oriel de la Galerie Sud à Leacock Abbey dans le Wilthsire où il vivait – pourrait nous faire croire que les peintres ont été contraints d’abandonner les représentations figuratives, les photographes s’étant substitués à eux pour peindre à partir d’un pinceau de photons traversant la camera obscura, se déposant sur la pellicule argentique. Ce pourrait être une des causes principales de la révolution de l’espace pictural. Dans son essai Pour comprendre les média, traitant des prolongements technologiques de l’homme, Marshall McLuhan nous ramène au milieu du XIXème siècle, alors que ce célèbre photographe présente à la Royal Society un savant mémoire intitulé : «Exposé sur l’art du dessin photographique, procédé par lequel on peut amener les objets de la nature à se dessiner eux-mêmes sans la contribution de l’artiste».  Cette révolution photographique revêt un caractère déterminant dans l’histoire, selon lui :

La photographie, en effet, reflétait automatiquement le monde extérieur et en donnait une image fidèlement reproductible. C’est ce caractère primordial d’uniformité et de répétition qui avait constitué la rupture gutenbergienne entre le Moyen Âge et la Renaissance. La photographie a été un élément presque aussi déterminant du passage de l’ère de l’industrialisation mécanique à l’ère graphique de l’homme électronique. C’est l’invention de la photographie qui marqua le passage de l’homme typographique à celle de l’homme graphique. 

On reconnaîtra aujourd’hui que la photographie a eu un impact immense sur la cosmologie observationnelle, dès le moment où les astronomes ont pu capturer les photons provenant des lointains objets célestes. Des photons lointains non seulement dans l’espace, mais aussi dans le temps faut-il rappeler. Mais elle ne constitue qu’un premier pas vers une autre révolution qui s’amorce au niveau de nos représentations : l’avènement d’images de synthèse permettant désormais de nous représenter l’Univers non seulement dans la manifestation de ses objets célestes, mais aussi dans sa manière d’habiter l’espace cosmique.

Revenons un instant sur les qualités de l’espace pictural, en délaissant l’univers figuratif du portrait. Les peintres ont pu exploiter de nouvelles dimensions, nous propulsant dans un univers abstrait, où la perspective introduite à la Renaissance est mise de côté. Cependant, dans le cas de Salvador Dali, il continue à y recourir et conserve la forme figurative à d’autres fins. Il permet aux objets d’échapper à leur volume et de s’éclater en dehors du cube euclidien pour épouser un espace courbe. On pourrait croire que ses montres molles expriment l’élasticité du temps et de l’espace. Émaneraient-elles d’une conversation entre lui et Einstein et cela ne nous surprendrait pas. Son tableau Persistance de la mémoire (1931) serait un exemple typique. Cette analogie est fréquemment proposée par les critiques d’art; est-elle uniquement une intuition interprétative dans leur imagination ou fait-elle vraiment partie du propos de Dali ?

Si on désirait faire une analogie avec notre conception de l’espace qu’occupe l’Univers, cette révolution picturale pourrait être considérée comme équivalente du passage de l’espace rigide newtonnien à l’espace-temps flexible einsteinien. Lorsque nous tentons de nous représenter la topologie spatiale de l’Univers, la révolution relativiste impose un changement de paradigme de la perception de l’espace et du temps. Les dimensions spatiales et temporelles n’étant désormais plus séparés; une plus grande ouverture d’esprit permet de concevoir le Monde autrement, même à travers les gestes du quotidien.

À titre d’exemple, la prochaine fois que vous donnez rendez-vous à un ami et que vous conduisez votre automobile ou empruntez un transport en commun, tentez d’imaginer que votre rendez-vous a lieu dans quatre coordonnées différentes – trois pour l’espace, le coin de rue ou la devanture de restaurant – et une quatrième pour l’heure à laquelle vous allez vous rejoindre. Si par mégarde ce rendez-vous se passait la fin de semaine où l’heure change, et qu’accidentellement vous ou votre connaissance aviez oublié d’ajuster votre montre, vous vous retrouverez seul. Et lorsque que vous vous rejoindrez ensuite au téléphone, un peu plus tard dans la journée, pour faire part de l’absence de l’autre, vous pourrez bien sûr prétexter, l’un ou l’autre : «mais j’étais là, à tel coin de rue et tel restaurant»… Vous vous rendrez compte qu’il y avait une dimension dans laquelle vous ne vous êtes pas rencontré : dans le temps !

Je demeure dans un espace urbain où il est possible de se déplacer entre deux points par le réseau souterrain du métro. Au moment où la rame s’enfonce dans le tunnel, propulsée par ses moteurs électriques vers un autre point de la ville, mon imagination  débordante me donne parfois l’impression d’être à bord d’une machine incroyable, que nos ancêtres n’auraient jamais imaginé. J’établis même, avec un certain plaisir, un parallèle avec ce grand tunnel de l’accélérateur de particules LHC du CERN, cet immense tunnel de vingt-cinq kilomètres de diamètre. Ne suis-je pas véhiculé à destination par l’énergie électrique, utilisant l’énergie contenue au coeur de la matière de notre Univers ? N’est-ce pas merveilleux, même si nous voyageons encore à des vitesses que nos descendants lointains trouveront sans doute ridicules !

Cette analogie peut paraître tout à fait banale, mais elle illustre assez bien que l’espace et le temps sont intimement reliés ! Donc, après ces considérations sur le monde des représentations, comment un scientifique peut-il apporter des perspectives vraiment différentes, même à la lumière des dernières percées de la cosmologie ? Il y a encore tout un monde à explorer dans nos représentations de l’Univers et même des surprises épistémologiques !

C’est le sujet du prochain article : TOPOLOGIE COSMIQUE 2 : L’Univers est-il chiffoné ?

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Topologie-cosmique - Simulation cosmologique – Cosmologie computationnelle