DE L'ASTRONOMIE : la Terre, centre du monde

DE L'ASTRONOMIE : la Terre, centre du monde
la galaxie d'Andromède M31.
Plus grande galaxie de notre groupe local (plus grande mais, semble-t-il, moins dense que la Voie lactée). Elle donne une idée assez fidèle de ce à quoi ressemble notre propre galaxie.
(sources : klmt.club.fr/hddp/)



A l'aube de l'Humanité, dès qu'il eut une conscience, l'Homme s'est cru le centre du Monde. Il se considérait, à tort ou a raison, comme plus développé et mieux organisé que les autres êtres vivant sur sa planète et nul doute pour lui que la Terre avait été créée pour sa convenance, une Terre évidemment au centre d'un Univers dont il ignorait presque tout. Cet anthropocentrisme rappelle, toutes proportions évidemment gardées, les premières années d'un enfant : lui-aussi a d'abord l'impression qu'il est le centre du monde. L'enfant ignore longtemps qu'il existe des lieux et des gens en dehors de son petit univers. Ce sont ses parents d'abord, puis l'école et la pression sociale qui lui font comprendre sa place réelle qui n'est pas aussi importante qu'il le pensait au départ. Si l'on poursuit cette analogie, on comprend assez vite que l'école, pour l'Humanité, c'est la Science. C'est elle qui explique que l'univers est bien plus vaste que primitivement pensé et, surtout, que l'Homme n'est qu'une minuscule partie d'un tout qui ne lui est pas dédié. Cette impression que la Terre est le centre du monde (géocentrisme) a longtemps marqué les esprits, au moins jusqu'aux temps modernes, et on peut même parfois se demander si, de nos jours, tous les hommes se sont bien affranchis de cette illusion.

1. les temps historiques
Si l'astronomie fut très tôt développée (essentiellement pour des raisons religieuses), parfois de matière assez précise, par les grandes civilisations de l'antiquité (Chine, Babylone, Égypte, Inde, etc.), ce sont les Grecs qui ont été les premiers à tenter d'expliquer les lois de la Nature à partir de véritables expériences, et non plus d'après les récits traditionnels.
Au début, vers – 600 ans av. JC., les penseurs grecs, comme Thales ou Anaximandre (voir glossaire), imaginent une Terre plate entourée de sphères où sont accrochées les étoiles. Un peu plus tard, vers – 500 ans av. JC, les pythagoriciens (voir glossaire) développent le concept en incluant un assemblage de sphères dont la dixième, la plus extérieure, supporte le champ étoilé : ils proposent même de faire coïncider le son (harmoniques) avec ces sphères d'où l'idée de « sphères musicales ».
Platon (voir glossaire), par la suite, imagine une terre ronde, centre du Monde, entourée d'une sphère d'eau, d'une sphère d'air et, pour la plus extérieure, d'une sphère de feu : c'est sur cette dernière que sont accrochées les étoiles...
C'est avec Aristote, au quatrième siècle av. JC, que ce système géocentrique se complexifie : l'univers est fini et la Terre (sphérique) est toujours le centre du Monde. Deux parties composent cet univers : celle située sous l'orbite lunaire (et donc infralunaire) et l'autre, supralunaire, qui comprend un grand nombre de sphères (55) dont la dernière, la plus extérieure, est ici aussi celle des étoiles. Tout ce qui est supralunaire est considéré comme immuable et parfait, à l'inverse du monde infralunaire, celui de la Terre et des humains, où l'on meurt et où tout semble se transformer.
Puis vient Ptolémée qui, dans l'Almageste, un de ses ouvrages les plus célèbres, va organiser l'ensemble des connaissances mathématiques et astronomiques de son temps : le géocentrisme qui y est défendu sera la référence durant près de 1300 ans.
Il faut en effet attendre Copernic, au seizième siècle, pour voir la Terre déchue de son rôle central. Encore n'est-ce qu'un début puisque, si le système copernicien retire à la Terre son immobilité et la fait tourner autour du Soleil, ce dernier reste encore le centre du monde. De plus, si pour Copernic la Terre et les autres planètes tournent autour du Soleil, le savant conserve la vieille image des sphères aristotéliciennes. Peu après, Tycho Brahé, un astronome pourtant des plus réputés, bâtira un système revenant sur une Terre immobile, la Lune et le Soleil tournant autour d'elle tandis que les autres planètes gravitent autour du Soleil.
C'est à partir de Galilée (et grâce à sa lunette astronomique) que les temps changent vraiment, plutôt lentement d'ailleurs si l'on songe aux difficultés bien réelles que le savant eut avec les autorités religieuses de son époque. Le géocentrisme moribond vivra encore quelques péripéties éparses mais, la connaissance de notre univers progressant, il sera bientôt définitivement abandonné. Gardons-nous néanmoins de tout triomphalisme en nous rappelant que, jusqu'aux travaux de Hubble (voir sujet II,2), dans les années 1920 (et plus exactement en 1924 soit il n'y a que 83 ans !), bien des scientifiques excluaient la présence d'étoiles hors de notre galaxie...
On constate donc combien il est difficile de se débarrasser des idées erronées tant elles paraissent acquises à une multitude d'esprits qui, par intérêt, facilité ou complaisance, cherchent avant toutes choses à ne pas remettre en cause un ordre estimé établi une fois pour toutes, montrant ainsi un état d'esprit exactement à l'opposé de celui nécessaire à une authentique approche scientifique.

2. La Terre, aujourd'hui
Eh bien, c'est une planète toujours aussi merveilleuse – parce que c'est la nôtre – mais au fond bien banale. Il est probable que des millions (des milliards ?) de planètes semblables existent jusqu'aux confins de l'univers et que, peut-être, certaines d'entre elles abritent la Vie. La Terre est la troisième planète d'un système qui en compte huit (plus quelques gros planétoïdes comme Pluton et Charon en périphérie). Elle tourne autour d'une étoile, elle-aussi des plus banales, cataloguée comme naine jaune, et qui en est arrivée à peu près à la moitié de sa vie. Cet astre assez petit est situé dans le bras d'Orion, plutôt en périphérie de la galaxie qui nous abrite, la Voie lactée (voir sujet II,3). La Galaxie – avec un grand « G », autre nom donné à la Voie lactée – contient environ 300 milliards d'étoiles et le Soleil est l'une d'entre elles.
Et au delà ? On trouve, près de la Voie lactée, quelques galaxies qui forment ce que l'on appelle le Groupe local. La galaxie d'Andromède (un objet superbe à regarder par une nuit propice et pour peu qu'on soit suffisamment équipé) est assez semblable à notre propre galaxie et les forces gravitationnelles étant à l'œuvre puisque les objets sont proches, on prédit que ces deux entités dominantes devraient se télescoper dans environ deux milliards d'années : nous ne serons plus là pour le voir et c'est bien dommage parce que les ciels nocturnes de cette époque seront très sûrement extraordinaires. Ce groupe local (un terme inventé par Edwin Hubble) renferme une grosse trentaine de galaxies, la plupart satellites des deux galaxies principales. Les galaxies ne sont donc pas uniformément réparties dans l'univers ; elles sont regroupées en amas qui ont tendance à s'éloigner les uns des autres en raison de l'expansion - dont on sait d'ailleurs à présent qu'elle s'accélère - de l'univers : c'est la fameuse « fuite » des galaxies que l'on met en évidence par le décalage vers le rouge de leurs spectres lumineux en fonction de l'effet Doppler, un phénomène que les anglo-saxons appellent « Redshift ». Toutes les galaxies de l'univers visible semblent donc nous fuir, à la notable exception des quelques habitantes de notre groupe local pour la raison déjà évoquée, la gravitation. Entre les amas de galaxies, il n'existe que d'immenses (mais je devrais dire incommensurables !) zones vides, à l'exception parfois d'un peu de gaz et, peut-être de matière encore inconnue. Ces amas se regroupent eux-mêmes en superamas, puis les superamas en des sortes de filaments ou de grilles qui occupent tout l'espace que nous pouvons voir et/ou deviner. Des milliards de galaxies contenant chacune des centaines de milliards d'étoiles. Impossible de se représenter, de comprendre un tel chiffre... Et le Soleil n'est que l'une de ces étoiles (voir note de bas de page).
Mais alors, si le Soleil n'est pas le centre de l'univers, où se trouve donc celui-ci ? Passionnante question qui a occupé des milliers de discussions scientifiques et opposé tant de grands savants !

3. Le centre du « monde »
Avant de localiser où se trouve le centre de l'univers, il convient au préalable de se poser la question de savoir s'il en existe un... La réponse est d'emblée troublante : aux yeux de la cosmologie moderne, le centre de l'univers est partout... et nulle part ! En effet, depuis Einstein et la théorie de la relativité générale, on considère qu'aucun repère absolu n'existe et, de ce fait, tout observateur, où qu'il soit, peut toujours prétendre être au centre du monde... Pour essayer de comprendre cet apparent paradoxe, revenons sur ce que nous savons (ou croyons savoir) sur notre univers et ses origines.
* le big bang
Depuis Hubble et sa découverte de la fuite des galaxies, nous savons donc que l'univers est en expansion, une expansion qui dure depuis à peu près 13,7 milliards d'années. Supposons que, à l'instar d'un film, nous puissions rembobiner l'histoire du cosmos : l'espace se contracte et les groupes de galaxies se rapprochent les uns des autres pour, à la fin, ne plus former qu'un seul point minuscule appelé singularité. Toute la matière de l'univers se retrouve alors dans un espace nul où la température, la courbure de l'espace-temps, la densité sont infinies et où les lois physiques que nous connaissons ne peuvent pas s'appliquer. La singularité est le cataclysme originel au delà duquel nous ne pouvons plus remonter : c'est le point de départ de notre univers, là où va se produire le big bang qui déclenchera l'expansion. Impossible de savoir ce qu'il y avait avant et même s'il y avait un « avant ».
D'autre part, lorsque nous regardons l'univers visible autour de nous, nous lui reconnaissons une certaine homogénéité : dans toutes les directions, on trouve des galaxies regroupées en amas et réparties globalement de la même façon ; on dit que l'univers apparaît homogène quelle que soit sa partie observée. Pour qu'il y ait un même aspect de l'univers quel que soit le lieu, il faut bien qu'il y ait eu à un moment donné une interaction entre ces régions éloignées les unes des autres afin d'avoir assuré l'homogénéité de leurs propriétés. Or c'est là que le bât blesse : le fond diffus cosmologique (voir sujet II,6), qui est le résidu du big bang, est visible dans toutes les directions à 13,7 milliards d'années-lumière (dans le passé puisque c'est la lumière de cette époque qui nous parvient aujourd'hui) et on observe des galaxies vieilles de 13 milliards d'années de tous côtés. Cela veut dire que les plus éloignées d'entre elles sont séparées par 25 milliards d'années-lumière et donc qu'elles n'ont pas pu être en contact puisque la lumière n'existe que depuis 13 milliards d'années environ et que rien ne va plus vite que la lumière... Leurs propriétés n'ont pu être homogénéisées (par exemple, la densité de la matière, la chaleur et, d'une manière générale, toutes les propriétés physiques) or elles sont quand même homogènes. Où est donc l'erreur ? Comme il est vraiment peu probable que tout ceci soit dû au hasard, deux explications sont envisageables : a. l'univers est beaucoup plus vieux que ce que l'on croyait et b. il était au début beaucoup plus petit que ne nous le laisse supposer l'expansion actuelle. C'est cette dernière explication qui a la faveur des astronomes : l'univers était au début très petit puis il a subi une accélération vertigineuse de son expansion (les objets cosmiques étaient alors « en contact ») avant de revenir au rythme actuel. Cette accélération fantastique est appelé « inflation ».
L'autre hypothèse (l'univers plus vieux) n'est pas réellement abandonnée : elle expliquerait la singularité et ce qu'il y avait avant mais impossible d'aller plus loin. La théorie de la relativité générale ne peut répondre (dans la singularité, la gravitation n'existe pas puisque la matière y est confinée) et il faudrait la remplacer par une théorie quantique de la gravitation qui n'existe pas (ou pas encore).
* le centre de l'univers
On vient de voir que le big bang, point de départ (mais pas forcément de début) de notre univers a eu lieu partout et en même temps dans la singularité. On peut dire les choses autrement : tout l'espace-temps était déjà contenu dans ce point originel. Il faut bien comprendre ce que cela veut dire : tout l'espace était dans ce point et il n'y avait donc rien en dehors parce qu'il n'y a pas de « dehors ». L'espace s'est simplement dilaté, partout et dans toutes les directions. Que peut-on en conclure? Eh bien que le « centre » est partout. Supposons, en effet, un observateur situé à, disons, 1 million d'années-lumière de nous (nous, nous ne le verrions seulement que dans 1 million d'années, lorsque la lumière qui l'éclaire nous parviendrait). Cet observateur verrait en ce moment le fond diffus cosmologique à 13,7 milliards d'années. Et les mêmes images décalées dans le temps des galaxies lointaines. Comme nous. Il aurait comme nous l'impression d'être au centre d'une sphère s'étendant dans toutes les directions jusqu'à 13,7 milliards d'années dans le passé... On peut donc avancer qu'il n'y a pas de « bord » : en ce moment, tous les objets existant dans l'univers sont effectivement à 13,7 milliards d'années-lumière du fond diffus cosmologique. Et s'il n'y a pas de bord, c'est partout le centre... et nulle part. Simple, non ?

4. L'homme est si petit et si facile à tromper
Nous nous trouvons sur une planète, la Terre, qui a eu le grand mérite de voir apparaître la Vie. Cette vie a suffisamment évolué pour se poser la question de sa place dans la grande machinerie de l'univers. Au début, comme c'est souvent le cas quand on ignore à peu près tout, nous nous sommes pris pour le nombril du monde : non seulement l'univers, si grand qu'il ne peut être réellement appréhendé par l'esprit, nous était destiné mais notre planète, immobile, voyait tourner autour d'elle les milliards de milliards d'étoiles accrochées à on ne sait quelle tapisserie cosmique. Il en aura fallu des discussions, des controverses, des excommunications mais également des observations longues et minutieuses mâtinées de spéculations géniales pour en arriver à la conclusion que, non, décidément, la Terre n'est pas – au sens antique - le centre du monde. Vanitas vanitatum, omnia vanitas...


Glossaire (in Wikipedia France)
* Anaximandre : Anaximandre de Milet (en grec ancien (ναξίμανδρος / Anaxímandros) (610 av. J.-C. – vers 546 av. J.-C.) est un philosophe grec présocratique. Il succéda à Thalès comme maître de l'école milésienne, et compta Anaximène et Pythagore parmi ses élèves. Anaximandre passe pour le premier philosophe à avoir consigné ses travaux par écrit. Seul un fragment est parvenu jusqu'à nous, mais les témoignages antiques permettent de se faire une idée de leur nature et de leur étendue, qui couvre la philosophie, l'astronomie, la physique, la géométrie mais aussi la géographie.
* Thalès : Thalès de Milet appelé communément Thalès (en grec ancien Θαλής / Thalês), était un philosophe présocratique ionien né à Milet vers l'an 625 et mort vers l'an 547 av. J.-C. Il fut l'un des Sept sages de la Grèce et le fondateur présumé de l'école milésienne. Il est souvent considéré comme le premier philosophe de l'Occident.
* pythagoriciens : Pythagore (en grec Πυθαγόρας / Pythagóras, annoncé par la « Pythie »), né vers -580 et mort vers -490, était un mathématicien, philosophe et astronome de la Grèce antique. L'école pythagoricienne était une école philosophique de l'Antiquité fondée par lui. L'enseignement pythagoricien était divisé en deux parties : une partie pour les acousmaticiens, les non encore initiés, et une pour les initiés, les mathématiciens. Cet enseignement était oral et secret. La transmission du savoir entre disciples était indissociable du respect des règles morales de la fraternité (philias) dans son ensemble : règle du silence, respects du grade d'initiation des disciples. L'école pythagoricienne était ainsi une confrérie tant religieuse que scientifique, s'intéressant principalement à l'enseignement des mathématiques, de l'astronomie, de l'éthique et de la politique.
* Platon : Platon (en grec ancien Πλάτων / Plátôn, Athènes, 427 av. J.-C. / 348 av. J.-C.) est un philosophe grec, disciple de Socrate. Surnommé le « divin Platon », il est souvent considéré comme un des premiers grands philosophes de la philosophie occidentale. La philosophie platonicienne se caractérise par son extrême richesse. On a l'impression qu'il n'y a pas de problèmes ou de questions que Platon n'ait déjà soulevés. Platon s'est tourné aussi bien vers la philosophie politique que vers la philosophie morale, la théorie de la connaissance, la cosmologie ou vers l'esthétique. Ses positions sont encore souvent discutées ou défendues par la philosophie contemporaine.

Note : le nombre des étoiles (in Science & Vie, n° 1031, août 2003)
Leur nombre n'est pas si facile à estimer : les astronomes reconnaissent que cette question n'a pas encore de réponse. Simplement parce que nous ne pouvons pas voir au delà d'un horizon de 14 milliards d'années-lumière (la limite fixée par l'âge de l'Univers). Mais il est possible d'évaluer le nombre des étoiles dans l'Univers observable. D'abord, compter les étoiles dans une galaxie moyenne : jusqu'à 200 milliards (soit 2x10 puissance11) dans un spécimen moyen comme notre Voie Lactée. Le chiffre est ensuite à multiplier par le nombre de galaxies observables, soit environ 100 milliards (10 puissance11), dont 100 millions vues par le télescope du Mont Palomar (USA). On obtient, au final, le chiffre (astronomique !) de 20 000 milliards de milliards (2x10 puissance22). Il s'agit d'une estimation à quelques milliers de milliards de milliards près...
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# Posté le mardi 27 novembre 2007 10:32
Modifié le samedi 09 février 2008 12:40

DE L'ASTRONOMIE : théorie de la Relativité Générale

DE L'ASTRONOMIE : théorie de la Relativité Générale
Afin de mieux appréhender les phénomènes astronomiques abordés précédemment dans le blog, il m'a semblé important de revenir sur la théorie de la Relativité Générale formulée en 1915 par Einstein (la même approche paraît nécessaire pour la mécanique quantique qui fera l'objet d'un prochain article). J'ai longtemps hésité pour choisir le chapitre dans lequel faire figurer ce sujet : la physique ou l'astronomie ? En définitive, puisque la théorie de la Relativité Générale permet de comprendre et d'expliquer nombre de phénomènes astronomiques, j'ai retenu l'astronomie bien que, stricto sensu, cette théorie relève en réalité de la physique fondamentale. Il va de soi que je n'aborderai pas ici l'aspect mathématique de la question (j'en serais bien incapable) et c'est essentiellement son aspect applicatif que je vais m'efforcer de résumer.

1. origine de la théorie
Nous connaissons tous le phénomène de la gravitation qui nous permet – c'est l'exemple le plus simple – de rester soudés à notre bonne vieille Terre. C'est également cette « force » qui explique que les planètes tournent autour des étoiles ; elle qui attire les galaxies pour peu qu'elles soient suffisamment proches et elle encore qui, d'une manière plus générale, permet l'expansion de l'univers. Dès la fin du XVIIème siècle, Newton, on le sait, proposa une explication au phénomène. Il bâtit une théorie de la mécanique qui, au lieu de s'appuyer exclusivement sur la vitesse comme ses prédécesseurs, se fondait sur l'accélération. Il spécula sur l'existence d'une force agissant à distance entre deux objets, par exemple entre la Terre et la Lune ; il affirma que cette force résultait de la position relative, à un instant donné, des deux intervenants et qu'elle dépendait de leurs propriétés sur le moment, cela quelle que soit la distance les séparant. La gravitation, selon Newton, était donc une force instantanée, se propageant à une vitesse infinie. C'est ce caractère instantané, immédiat qui rebutait Einstein : pour lui, aucune information ne pouvait se propager à une vitesse supérieure à celle de la lumière et c'est ce qu'il chercha à démontrer des 1905 dans sa théorie de la Relativité Restreinte. Sa théorie stipule que la simultanéité ne peut pas être définie puisqu'elle diffère d'un observateur à l'autre si ceux-ci sont animés d'une vitesse non nulle. Problème : comment dès lors intégrer la notion de gravitation ? Dès l'énoncé de sa loi de Relativité Restreinte, Einstein s'acharna à trouver une explication de la gravitation coïncidant avec sa théorie et cela l'amena, une dizaine d'années plus tard, à présenter une extension de sa première théorie afin de passer à un échelon plus vaste : c'est la théorie de la Relativité Générale.

2. Relativité Restreinte
Commençons tout d'abord par la Relativité Restreinte. Pour résumer, on peut distinguer dans la théorie les principes fondamentaux suivants :
* dans le vide, la vitesse de la lumière est constante et approximativement égale à 300 000 km par seconde. Elle est toujours la même et cela ne dépend pas des observateurs, que ceux-ci soient ou non en mouvement.
* il existe une stricte équivalence matière-énergie, cette équivalence étant résumée dans la formule célèbre : E = mc2 où E représente précisément l'énergie et m la masse, c correspondant à la vitesse de la lumière. On peut le dire d'une autre façon : l'énergie (E) d'une molécule libre et au repos est égale à sa masse (m) que multiplie dans le vide le carré de la vitesse de la lumière (c).
* l'espace et le temps sont indissociables : l'univers, que l'on pensait jusque là à trois dimensions, en compte en réalité quatre puisqu'on doit y intégrer le temps.
On vient de dire que le temps et l'espace sont indissociables et que la vitesse de la lumière est constante dans tous les référentiels inertiels, c'est à dire par rapport à des points de référence qui ne subissent aucune accélération. On peut donc en déduire que, si la vitesse de la lumière est en tout point constante, c'est le temps qui varie. Le temps peut donc ralentir, « se dilater » ou au contraire s'accélérer, « se contracter » et être donc « différent » d'un endroit à un autre, passant plus vite ici ou plus lentement ailleurs.
A notre échelle, les dimensions étant très petites, ces différences ne nous sont pas perceptibles mais c'est une toute autre affaire dès que l'on s'intéresse, comme en astronomie, aux grands espaces. C'est la raison pour laquelle la physique newtonienne a paru longtemps parfaitement exacte tant qu'elle s'intéressait aux phénomènes terrestres mais apparemment légèrement imprécise dès que l'on regardait vers le système solaire et les étoiles : il s'agissait d'une espèce d'approximation des lois physiques.
En fait, la Relativité Restreinte ne s'applique qu'aux phénomènes utilisant des vitesses constantes. Elle ne restait qu'une approche locale des phénomènes physiques tant que n'y était pas intégrée l'explication de la gravitation : c'est ce qu'Einstein s'ingénia à mettre en équations pour finalement aboutir à la généralisation de sa théorie.

3. Relativité Générale
La théorie de la Relativité Générale est, on vient de le dire, une généralisation de la théorie de la Relativité Restreinte puisqu'elle intègre la gravitation qui y était absente. Résumons-là brièvement :
* l'espace est déformable : toute masse peut le courber autour d'elle en formant ce que l'on appelle une géodésique, c'est à dire le chemin le plus court qui relie deux points d'une surface. Si l'espace est courbé par une masse, la liaison entre deux points ne sera évidemment pas une ligne droite mais l'adaptation d'une ligne droite à un espace courbe (on peut en voir un exemple sur l'image d'introduction). Imaginons pour mieux comprendre un tapis élastique épais sur lequel se trouve une balle de tennis. Si un petit chien vient s'allonger près d'elle, celui-ci va déformer légèrement le tapis et la balle va rouler vers lui. Le maître vient à son tour s'asseoir près de son chien et, cette fois-ci, le poids étant bien plus élevé et la déformation plus importante, c'est le chien qui risque de glisser vers lui avec la balle. Les objets de l'univers déforment donc l'espace et ce d'autant plus que leurs masses sont importantes : c'est ainsi que le Soleil déforme l'espace obligeant la Terre à tourner autour de lui, ce que fait d'ailleurs la Terre avec son satellite.
* les objets qui se trouvent dans l'espace courbe créé par un objet plus volumineux s'approchent de lui en suivant des géodésiques mais comme il s'agit justement de géodésiques ils ne tombent jamais vers l'élément le plus massif mais se mettent en orbite autour de lui.
* la courbure engendrée par une masse plus importante ne se propage pas vers les objets plus légers de manière instantanée mais à la vitesse de la lumière.
* il s'ensuit de ces phénomènes que l'espace ne peut pas être quelque chose d'absolu et fixé une fois pour toutes : tout objet transforme l'espace en fonction de sa propre masse et crée donc des conditions locales particulières. L'espace est la résultante de l'ensemble de toutes les déformations et se modifie sans cesse.
Restait à valider tout cela car les équations aussi remarquables soient-elles ne suffisaient pas et c'est Einstein lui-même qui suggéra trois expériences susceptibles de démontrer le bien-fondé de sa théorie.

4. preuves de la théorie de la Relativité Générale
Einstein proposa trois expériences sur des phénomènes qui n'avaient jamais pu être expliqués par la théorie de la gravitation de Newton.
* la première concernait un problème qui agaçait depuis des lustres la communauté astronomique : l'anomalie de l'avance du périhélie de Mercure (voir glossaire) ou, pour le dire plus simplement, l'existence d'un léger décalage dans la trajectoire de cette planète, une observation qui échappait à la physique newtonienne. En 1915, Einstein, calculs à l'appui, démontra que sa théorie correspondait parfaitement aux observations.
* la deuxième, fondée sur l'aspect relativiste de sa théorie, postulait l'existence de mirages gravitationnels : la masse du Soleil courbe l'espace autour de lui ce qui entraîne la déviation des rayons lumineux des étoiles situées derrière lui. En absence du Soleil, la position apparente des étoiles sera strictement identique à leur position réelle. En revanche, la présence du Soleil donnera l'impression que les étoiles sont plus écartées qu'en réalité puisque les rayons lumineux provenant d'elles suivront la courbure accentuée de l'espace autour de lui. Pour pratiquer l'expérience, il faut donc des étoiles dont la position est parfaitement documentée, une éclipse de soleil... et un beau temps sans nuages. En 1919, Eddington observa ce mirage gravitationnel comme le prévoyait la théorie. Ce fut, on s'en doute, un énorme émoi dans la communauté scientifique que d'obtenir un tel résultat.
* la troisième expérience était plus difficile à mettre en œuvre car un peu trop complexe pour les outils de l'époque. Il s'agissait de montrer un décalage dans la fréquence des atomes en fonction de la masse d'une étoile. C'est en 1960 seulement que l'expérience fut réalisée et couronnée de succès.
Ces trois tests emblématiques ont définitivement valider la théorie.

5. pour quelles conséquences ?
La première observation que l'on peut faire est que, en introduisant dans le corps de la théorie le principe dit de relativité (voir glossaire), Einstein a pu démontrer que, toutes conditions étant par ailleurs les mêmes, les lois de la physique sont applicables à l'ensemble de l'univers et qu'elles aboutiront par conséquent à des mesures identiques. C'est la raison pour laquelle on parle pour la Relativité Générale d'une théorie universelle. Du coup, l'espace lointain nous devient compréhensible, à l'exception notable du tout début, la singularité du Big Bang (voir sujets II, 6 et 7) où la gravitation n'existe plus (ou n'existe pas encore). Des phénomènes jusque là mystérieux ont pu commencer à recevoir un début d'explication. En effet, si la théorie newtonienne restait suffisante pour décrire la plupart des phénomènes observés à l'échelle des étoiles ainsi qu'au niveau du système solaire (sauf, comme on l'a vu plus haut, l'avance de la trajectoire de Mercure), pour certains objets observés, la théorie d'Einstein était absolument nécessaire. On peut en citer quelques uns :
* les mirages gravitationnels :
Comme on l'a déjà dit, un mirage gravitationnel est une déformation de l'image provenant d'une source lointaine à la suite de la présence entre cette source et l'observateur d'un objet très massif (par exemple un groupe de galaxies) qui modifie l'espace-temps. Depuis la première expérience de 1919, le phénomène a été identifié à de nombreuses reprises (notamment par le télescope spatial Hubble) dès lors que l'on étudie l'univers lointain et il sert même à la détection de la matière noire (voir sujet II, 7). On trouvera une illustration récente de ces mirages gravitationnels dans la note située en fin de cet article.
* les étoiles à neutrons :
Nous avons déjà eu l'occasion d'évoquer ce stade terminal de la vie de certaines étoiles (voir sujet II, 5). Rappelons brièvement qu'il s'agit de la mort d'étoiles massives sous l'effet de leur gravité propre, une fois qu'elles ont épuisé leur combustible nucléaire. Après avoir explosé en supernova, l'étoile ne se présente plus que sous la forme de son noyau extrêmement dense qui peut se mettre à tourner à grande vitesse sur lui-même en émettant un champ magnétique puissant : on parle alors de pulsar. Le plus souvent, les étoiles à neutron, en raison de leur très petite taille, restent invisibles.
* les trous noirs :
Il s'agit ici d'objets supermassifs possédant un champ gravitationnel si intense que rien ne peut s'en échapper. C'est ce à quoi conduit la mort des très grosses étoiles puisque le noyau résiduel est ici si massif qu'il ne peut même pas conduire à une étoile à neutrons. Prédits par la théorie de la Relativité Générale, les trous noirs ne peuvent évidemment pas être observés (ils sont « noirs » puisque aucune matière ne s'en échappe, pas même la lumière) mais soupçonnés par leur action sur leur environnement (par exemple, une quantité importante de rayons X provoquée par la surchauffe de la matière avant d'être engloutie). Leur existence est à présent une certitude pour la communauté scientifique.
La théorie de la Relativité Générale est donc, comme on vient de le voir par ces quelques exemples, l'outil idéal pour expliquer de nombreux phénomènes cosmiques. Elle donne une excellente explication de la gravitation, même pour l'univers lointain difficilement déchiffrable, et elle n'a jamais été prise en défaut. Pour autant, la situation n'est pas parfaite car jamais on n'a pu faire coexister cette théorie avec la mécanique quantique, seule à même d'expliquer les phénomènes subatomiques. Et cela fait désordre.

6. la théorie du tout
Pour résumer l'étendue du problème qui se pose aux scientifiques, rappelons qu'il existe dans l'univers quatre forces fondamentales : la gravitation qui concerne tout l'univers visible, et trois autres – électromagnétisme, interaction faible et interaction forte – qui concernent le monde de l'atome et sont expliqués par la mécanique quantique (nous y reviendrons dans un prochain article). Impossible jusqu'à présent d'unifier ces quatre forces : on a eu beau faire – Einstein le premier - la gravitation ne peut pas être décrite dans un cadre quantique. Il est certain que, quelque part, une pièce du puzzle est absente... à moins qu'une erreur ne se soit glissée quelque part, soit dans la Relativité Générale, soit dans la mécanique quantique. Mais cette éventualité est finalement peu probable, ni l'une, ni l'autre des deux approches n'ayant jamais été prises en défaut alors que toutes deux ont considérablement fait avancer nos connaissances théoriques et se sont prolongées dans une foule d'applications pratiques.
Les scientifiques sont donc toujours à la recherche d'une « théorie du tout » qui unifierait Relativité Générale et mécanique quantique. Il existe des pistes mais essentiellement théoriques et qui demandent à être approfondies : je pense à la « théorie des cordes » qui permettra peut-être d'intégrer la gravitation à l'univers des quanta. Pour le moment, cette approche reste du domaine de la recherche pure. Une chose est néanmoins sûre : la Relativité Générale nous a permis de commencer à comprendre comment s'organisait et interagissait l'univers immense qui nous entoure : ce n'est déjà pas si mal.


Glossaire (in Wikipedia France)
* périhélie : le périhélie est le point de l'orbite d'un corps céleste (planète, comète, etc.) qui est le plus rapproché du Soleil. Cela se dit aussi de l'époque où l'objet a atteint ce point. La Terre décrit une orbite elliptique dont le Soleil occupe un des foyers. Elle est au périhélie vers le 3 janvier, à une distance de 0,983 ua (nota : une unité astronomique ou ua correspond à la distance moyenne entre la Terre et le Soleil)
* principe de relativité : dans son expression moderne, le principe de relativité affirme que les lois physiques sont les mêmes pour tous les observateurs. Cela ne signifie pas que les événements physiquement mesurables dans une expérience sont les mêmes pour les différents observateurs, mais que les mesures faites par les différents observateurs vérifient les mêmes équations. Toutefois, pour deux expériences préparées de manière identique dans deux référentiels distincts soumis aux mêmes contraintes gravitationnelles (tous les deux inertiels par exemple) les lois sont rigoureusement identiques et donnent des mesures identiques dans leurs référentiels respectifs. On dit que les lois sont « invariantes par changement de référentiel », ou encore qu'elles sont « covariantes ».

Image : il s'agit d'une représentation bidimensionnelle de la distorsion spatio-temporelle. La présence de matière modifie la géométrie de l'espace-temps. De ce fait, la ligne qui unit deux objets est adaptée à la courbure de l'espace : ce n'est plus une ligne droite comme dans la géométrie classique mais une géodésique. (sources : http://fr.wikipedia.org)

Note : la plus lointaine des galaxies naines (in Science & Vie, n° 1083, décembre 2007)
En orbite et à Hawaï, le 4 octobre. Une équipe d'astronomes de l'université de Californie a réussi à observer une galaxie naine 100 fois moins massive que la Voie lactée, à 6 milliards d'années-lumière de nous ! Jamais un objet aussi petit n'avait été vu à une telle distance. Coup de chance : une galaxie massive située entre la galaxie naine et nous a déformé son image, la rendant 10 fois plus brillante et plus grosse. A partir de ce « mirage gravitationnel » en forme d'anneau recueilli par les télescopes Hubble et Keck, les astronomes ont pu reconstituer l'aspect que devait avoir la petite galaxie. Il s'agit du premier portrait d'une très vieille galaxie naine à l'époque où l'univers avait la moitié de son âge. V.G.
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# Posté le vendredi 07 décembre 2007 13:10
Modifié le samedi 09 février 2008 12:39

DE LA PHYSIQUE : mécanique quantique

DE LA PHYSIQUE : mécanique quantique
la conférence de Solvay (1927)
Une des plus légendaires photos de l'histoire de la physique montrant les participants à la cinquième conférence de Solvay, en octobre 1927, à Bruxelles. Vingt-neuf physiciens, parmi les principaux théoriciens des quanta de l'époque, s'y réunirent pour discuter du sujet : " électrons et photons ". Dix-sept de ces vingt-neuf participants devinrent des prix Nobel. Pour les connaisseurs, on peut apercevoir : Niels Bohr, Max Born, Albert Einstein, Marie Curie, Paul Langevin, Paul Dirac, Erwin Schrödinger, Auguste Piccard, etc.
La naissance de la mécanique quantique sous nos yeux.
(sources : amp2005.blog.lemonde.fr/category/webtech/)



Je me souviens d'un temps ancien où, en classe de cinquième, devant un professeur de mathématiques qui m'encourageait du regard et face à des camarades plus ou moins attentifs, on m'avait confié la lourde tâche de lire – et de commenter – mon livre de chevet de l'époque, «l'astronomie à bâtons rompus» (je ne me souviens absolument plus du nom de l'éditeur, qu'il m'en excuse ici). C'était un petit recueil que j'avais lu et relu jusqu'à en faire pâlir l'encre d'imprimerie et corner les pages. Les explications y étaient simples, certainement même simplistes, mais accessibles à nos cerveaux d'alors. On y décrivait entre autre l'atome comme un espèce de petit système solaire, le noyau représentant le Soleil et les électrons les planètes gravitant autour de lui. J'ai longtemps conservé cette image, fausse évidemment, et il m'aura fallu bien des efforts pour comprendre que, non, la réalité n'était certainement pas celle-là. Il me paraît utile aujourd'hui, à la suite de mon article sur la théorie de la Relativité générale (voir sujet II,10), de revenir sur ces notions de base qui ne s'expliquent finalement assez bien qu'à l'aide de la mécanique quantique.

1. pourquoi la mécanique quantique ?
Il faut d'emblée souligner que le terme de « mécanique quantique » est particulièrement mal choisi : le mot « mécanique » traduit en effet les mouvements dont sont animés des corps dans l'espace or la mécanique quantique ne décrit nullement ce type de mouvements mais s'intéresse essentiellement à la description du système dont ces corps relèvent. La deuxième partie du terme est également impropre puisque qu'elle ne fait allusion qu'à des phénomènes corpusculaires (les quanta) alors que la dimension ondulatoire est également présente ici (c'est d'ailleurs pour cela que cette discipline a été un temps appelée « mécanique ondulatoire », terme tout aussi mal adapté). « Ce qui se conçoit bien s'énonce clairement et les mots pour le dire arrivent aisément », affirmait Boileau dans son « art poétique ». J'imagine que ce n'est pas par hasard que la confusion des mots règne d'emblée dans la théorie : la mécanique quantique (il faut bien continuer à l'appeler ainsi) est difficile à appréhender car ses concepts échappent facilement à la logique courante...
Précisons tout d'abord les circonstances qui ont conduit à l'édification de la théorie. Nous sommes alors au début du XXème siècle et la science est triomphante et notamment, depuis Newton, la physique. Pourtant il existe des coins d'ombre et cela concerne la lumière :
* selon la théorie de Maxwell, la lumière a une énergie infinie dans le spectre ultra-violet. Comment se fait-il alors que nous ne soyons pas immédiatement grillés par la proximité d'une flamme ou du Soleil ?
* l'émission de la lumière par un gaz (par exemple un tube au néon) montre que, à des fréquences bien précises, il existe des raies, un phénomène qui n'a jamais pu être expliqué.
* sur la surface d'un objet métallique, la lumière, on le sait, éjecte des électrons quelle que soit son intensité ce qui ne cadre pas avec la physique traditionnelle.
Ces trois phénomènes inexpliqués vont conduire les scientifiques de l'époque à reconsidérer ce que l'on croyait acquis. La première anomalie (l'énergie infinie de la fréquence ultraviolette) aboutira à la remise en cause de ce principe par Max Planck en 1900 : pour lui, la lumière ne peut être que discontinue et émise par paquets, les quanta. Quelques années plus tard, l'électromagnétisme de la lumière sur le métal amène également Einstein à penser que cette dernière est composée de particules. Enfin, en 1913, partant du phénomène des raies (lumière d'un gaz), Niels Bohr publie un nouveau modèle de structure atomique. C'est à partir de ces remises en cause que surgira, une dizaine d'années, plus tard la mécanique quantique.
La théorie quantique s'appuie sur des calculs mathématiques bien précis (je serais, bien sûr, incapable de les résumer ici) et elle conduit à considérer de manière tout à fait nouvelle (et différente) la structure du monde microscopique, celui de l'atome. Elle décrit de manière parfaite la dynamique d'une particule massive ce qui permet d'induire un grand nombre d'applications pratiques (nous y reviendrons). Il existe toutefois un point d'achoppement majeur : la théorie n'est pas relativiste, c'est à dire qu'elle ne prend pas en compte les données de la Relativité restreinte que nous avons précédemment évoquée. Il existe en conséquence un problème certain d'unification avec la physique du monde visible ce qui fait désordre...

2. que nous apprend la mécanique quantique ?
Elle nous a permis de mieux saisir la configuration de l'atome. Un peu plus haut, j'expliquais que la vision d'un atome avec ses électrons tournant autour de lui comme un système solaire en miniature était fausse : comment peut-on alors se la représenter ? Eh bien sous la forme d'une sorte d'un petit nuage déformable particulièrement léger. Les électrons se trouvent généralement dans l'atome (« le nuage électronique ») et batifolent autour du noyau qui ressemble à une petite bille. Les électrons peuvent s'interpénétrer mais jamais se superposer : c'est ce que l'on appelle le principe d'exclusion. Imaginons à présent que ce petit nuage se coupe en deux : chacune des parties va dans un sens et s'éloigne de l'autre mais c'est pourtant toujours la même particule. En effet, si l'on agit sur l'une des parties, l'autre réagit immédiatement. Cette particularité est appelée la non-localité. Habituellement, les électrons restent confinés autour du noyau atomique, en adoptant des formes plus ou moins variables. Toutefois, dans le cas où ils s'en éloignent suffisamment, on s'aperçoit alors qu'ils se comportent comme des ondes en générant des interférences... Revenons sur le cas plus particulier de la lumière. Celle-ci est composée de particules, les photons, qui se comportent exactement de la même manière : les groupes de photons peuvent produire des interférences, comme des ondes, tout en étant des particules... Ces étonnantes propriétés permettent de comprendre pourquoi une même particule peut être à deux endroits à la fois, sans que l'on sache où, ou bien nulle part ! Difficile à comprendre ? Prenons un exemple : un jeune garçon joue au ballon contre un mur. Il a deux possibilités : soit il frappe normalement et son ballon rebondit sur le mur pour revenir vers lui, soit il tape trop fort et la balle s'élève au dessus du mur et s'échappe. Dans le monde quantique, le « ballon », c'est à dire l'atome, est en fait un petit nuage déformable. De ce fait, s'il « rebondit » sur un obstacle – le haut du mur – une partie de lui peut sauter l'obstacle tandis que l'autre partie va rester du côté du jeune garçon. Mais il ne s'agit pas d'une scission en deux nouveaux objets distincts : c'est toujours la même particule et si on « touche » la partie au delà de l'obstacle, celle restée en arrière réagit instantanément. On peut donc résumer ces notions de la manière suivante : à l'échelon atomique, les particules qui composent la matière sont déformables et sont donc capables de réagir comme des ondes tout en restant unifiées ce qui explique pourquoi une action sur une partie entraîne une réaction instantanée sur l'autre partie. Les électrons ne sont donc pas de petits points « tournant » autour du noyau de l'atome et l'émission de la lumière n'est pas la conséquence de leur changement d'orbites comme on l'a longtemps cru : le phénomène est dû à un changement de forme de l'électron lui-même. Bien. Et ensuite ? Imaginons à présent que l'on veuille observer un électron. On va évidemment se servir d'un instrument mais, aussi miniaturisé qu'il puisse être, l'instrument en question sera composé de milliards de particules qui vont interagir avec l'électron observé. C'est la raison pour laquelle les physiciens quantiques expliquent que le simple fait « d'observer » perturbe le résultat (c'est ce que l'on appelle du mot savant de « décohérence »)... De ce fait, il est impossible de savoir exactement quelle est la forme adoptée par l'électron et on ne pourra que la deviner... et donc deviner où il sera exactement, d'autant que, comme on l'a déjà dit, il peut être « scindé » en deux (ou plusieurs parties) qui interagissent entre elles : il est ici... et là-bas et on parle alors d'état superposé (voir note en fin de sujet sur le chat de Schrödinger). Les moyens (et les calculs) pour savoir où se trouve tel ou tel électron seront donc forcément probabilistes.
Comme on l'aura compris, cette physique très particulière a longtemps défié notre propre logique : comment peut-on admettre qu'un objet, si petit soit-il comme un électron, puisse être à deux endroits à la fois ? Bien des réticences ont été formulées et pas seulement par des gens peu informés. Pourtant, en partant des équations, on est arrivé à des résultats pratiques qui n'auraient pas pu être obtenus autrement. On peut dire que la mécanique quantique a bouleversé notre connaissance de la matière et qu'elle a permis de mettre au point des applications que nous utilisons quotidiennement.

3. utilité de la mécanique quantique
Le monde dans lequel nous vivons ne serait pas du tout le même si de puissants esprits n'avaient pas théorisé la mécanique quantique. De nombreuses applications ont vu le jour grâce à elle et, à n'en pas douter, d'autres suivront. Citons-en quelques unes :
* la prédiction du comportement de la matière à l'échelon atomique a autorisé le contrôle de l'électron ce qui a conduit à la réalisation des transistors et, d'une manière générale, à la miniaturisation de bien des composants de nos appareils électroniques, comme le PC qui vous permet de lire ce blog...
* le contrôle de la lumière a été réalisé de la même manière : c'est ainsi que les ingénieurs ont pu concevoir le faisceau laser de nos lecteurs de DVD ;
* citons aussi la supraconduction qui, entre autre, a permis la réalisation de l'imagerie médicale par résonnance magnétique nucléaire ou IRM
* et l'énergie nucléaire dont les centrales permettent de fournir une électricité qui permet de limiter l'émission de CO2 et donc l'effet de serre ;
* la compréhension de la structure des cristaux et de leurs vibrations ;
* la conduction thermique et la conductivité électrique des métaux ;
* l'explication de l'effet tunnel (voir glossaire), inexplicable par la physique classique, etc.
De nombreuses applications pratiques sont encore à venir parmi lesquelles je ne citerai que l'ordinateur quantique (encore au stade des balbutiements) dont la puissance devrait pulvériser les possibilités de nos ordinateurs actuels. Comme on le voit, la théorie quantique est bien loin de n'être qu'une simple théorie : tout aussi extravagants que ses principes soient apparus au début, ceux-ci n'ont jamais pu être démentis jusqu'à aujourd'hui. Au contraire, ils se sont révélés d'une précision redoutable qui a conduit à bien des découvertes.
Est-ce à dire que tout est parfait ? Non car il reste cet énorme problème que je rappelais en préambule. La théorie de la Relativité générale qui décrit l'univers du visible et la mécanique quantique qui raconte les phénomènes liés à l'atome sont strictement incompatibles. Or, on le sait bien, si les deux théories sont si parfaitement justes qu'elles ne peuvent être prises en défaut, comment se fait-il qu'elles ne puissent pas cohabiter ? C'est tout l'enjeu de la physique fondamentale des années à venir. Des milliers de scientifiques travaillent d'arrache-pied sur une unification dont on ne sait encore rien mais qui prendra le nom très explicite de « théorie du tout ».


Note : le chat de Schrödinger
Il s'agit, bien entendu, d'une expérience toute théorique. Erwin Schrödinger (1887-1961), est un scientifique autrichien qui imagina cette expérience en 1935. L'idée est la suivante : un chat est enfermé dans une boîte avec un système qui se déclenche dès qu'il détecte la désintégration d'un atome radioactif (par exemple un compteur Geiger). Cette détection active un interrupteur entrainant la chute d'un marteau qui ira casser une fiole contenant un gaz mortel. Si cette désintégration a, disons, une chance sur deux de survenir au bout de 10 minutes, la mécanique quantique affirme que, tant que l'observation du phénomène n'a pas été réalisée, l'atome est en même temps dans les deux états (intact et désintégré). Comme le sort du chat dépend de cet état, le chat est en même temps mort ET vivant (et non pas mort ou vivant). C'est seulement l'ouverture de la boîte qui permettra le choix entre les deux états. L'expérience a pour seul souci de montrer combien ce qui peut être accepté pour une particule (un état « superposé ») peut être difficile à accepter dans le monde réel, le nôtre et celui du chat.

Glossaire
* effet tunnel : l'effet tunnel désigne la propriété que possède un objet quantique de franchir une barrière de potentiel, franchissement impossible selon la mécanique classique. Généralement, la fonction d'onde d'une particule, dont le carré du module représente l'amplitude de sa probabilité de présence, ne s'annule pas au niveau de la barrière, mais s'atténue à l'intérieur de la barrière, pratiquement exponentiellement pour une barrière assez large. Si, à la sortie de la barrière de potentiel, la particule possède une probabilité de présence non nulle, elle peut traverser cette barrière. Cette probabilité dépend des états accessibles de part et d'autre de la barrière ainsi que de son extension spatiale. L'effet tunnel est à l'œuvre dans :
. les molécules : NH3, par exemple,
. les modélisations des désintégrations (fission, radioactivité alpha),
. les transistors,
. certaines diodes,
. différent types de microscopes,
. l'effet Josephson. (in Wikipedia France)

Addendum du 7 janvier 2008 : la théorie de Garrett Lisi
Garrett Lisi, un scientifique américain hors-norme (1) a publié fin 2007 un article retentissant dont le titre semble à lui seul une provocation : « Une théorie du tout exceptionnellement simple ». Il nous dit « s'être rendu compte, au bout de 10 ans de travail acharné, que sa recherche d'unification entre physique quantique et gravitation a pour solution une structure géométrique, le groupe de Lie E8, permettant de décrire toutes les propriétés des particules de matière et de force. » Son explication étant incompatible avec la théorie des cordes à laquelle se réfèrent la plupart des physiciens fondamentalistes, ceux-ci n'ont pas tardé à réagir avec véhémence. En revanche, d'autres crient à la découverte géniale. Bref, soudainement beaucoup de remue-ménage dans le Landerneau scientifique ! Qui a raison ? Est-on devant une extraordinaire intuition pouvant conduire au Nobel ou face à un pétard mouillé façon « mémoire de l'eau » ? Il est certainement trop tôt pour le dire. Je me suis rendu sur le site du chercheur (http://arxiv.org/pdf/0711.0770) mais je suis bien sûr incapable de comprendre les équations qui y figurent... Il est donc urgent d'attendre. Quand même ! S'il y avait quelque chose là-dessous ce serait une découverte majeure, fondamentale, comme il n'en existe qu'une seule par siècle (et encore !)...
(1) hors norme car ce chercheur indépendant divise sa vie entre la recherche fondamentale... et le surf ou autre snowboard. Tous reconnaissent qu'il sait vraiment de quoi il parle mais est-ce suffisant ?
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# Posté le samedi 22 décembre 2007 10:03
Modifié le samedi 09 février 2008 12:38

DE L'EVOLUTION : interlude (vingt fois sur métier...)

DE L'EVOLUTION : interlude (vingt fois sur métier...)
Ce qu'il y a d'extraordinaire avec ces nouveaux moteurs d'indexation, c'est qu'ils peuvent scruter votre disque dur et y retrouver des documents que l'on avait totalement oubliés. Récemment, dans l'idée de rédiger un nouveau sujet et cherchant ce que j'avais bien pu écrire sur les mécanismes de l'Evolution, je suis tombé sur un de mes anciens courriers échangé en 1993 avec la revue « Valeurs actuelles ». Je me fais un plaisir de reproduire ces quelques lignes, preuve que le combat mené contre les obscurantistes de tout poil ne date – hélas – pas d'aujourd'hui...

13 novembre 1993

J'ai bien entendu failli sauter en l'air quand, au détour des colonnes de Valeurs Actuelles, j'ai découvert cette perle néocréationniste que je reproduis ci-dessous. Évidemment, elle nécessitait une réponse : pour une fois, je l'ai écrite, cette réponse, et adressée à l'hebdomadaire concerné. Perte de temps ? Pas tout à fait puisqu'il est acquis que, en terme de vérité scientifique, celle-ci nécessite sans cesse de repréciser les choses. On peut penser qu'à force ...

Envoi du lecteur XXX :

LE BOEING ET LA SOURIS
Je suis surpris que, dans la conclusion de votre article "L'empreinte des dinosaures", vous écriviez qu'avec la disparition des dinosaures, les mammifères connurent une phase d'évolution explosive qui aboutit à l'intelligence humaine".
Affirmer, de nos jours, une foi aussi aveugle dans la théorie de l'évolution a, en effet, de quoi surprendre : l'évolutionnisme ne rencontre plus guère auprès des scientifiques sérieux l'unanimité fervente, quasi religieuse, d'antan, même si beaucoup feignent d'y croire encore ...
La théorie de l'évolution, née au siècle dernier sous l'impulsion de Lamarck puis surtout de Darwin, avait suscité l'enthousiasme du monde scientifique d'alors; elle proposait une explication rationnelle et générale à l'étonnante succession des multiples formes de vie rencontrées au cours des temps géologiques.
Point n'était besoin de recourir à l'acte créateur d'une intelligence supérieure, le seul moteur de la sélection naturelle suffisait : de toutes les espèces animales nées du jeu des mutations aléatoires, seules survivaient les mieux adaptées au milieu environnant.
Outre les très nombreuses objections que suscita cette théorie, les découvertes faites depuis une quarantaine d'années dans le domaine de la génétique notamment montrent la complexité de l'être vivant et permettent de soumettre la théorie de l'évolution à l'épreuve de l'analyse probabilistique ... et c'est là que le bât blesse : il est beaucoup plus probable d'assister à la construction naturelle et spontanée d'un BOEING en une demi-heure qu'à celle d'une souris en trois milliards d'années.
Il ne s'agit pas, bien sûr, de nier toute évolution, mais de réduire le pouvoir absolu qu'on lui attribuait jusque là dans des proportions que les futures découvertes permettront de préciser.
La théorie de l'évolution, telle qu'elle est encore enseignée, doit plus aux convictions qu'à des faits scientifiques rigoureusement établis.
Je sais, hélas, le poids du terrorisme intellectuel qu'un certain nombre de mandarins s'emploie à faire régner dans les médias, mais n'est-ce pas justement le rôle d'un journaliste bien informé de le dénoncer ?

MA RÉPONSE :

Monsieur,
Fidèle abonné de votre revue depuis des années, c'est la première fois que je souhaite m'exprimer sur un sujet discuté dans vos colonnes. En effet, si toutes les opinions sont parfaitement acceptables - même si parfois elles ne plaisent pas au lecteur - il n'en est pas de même lorsqu'il s'agit de thèses manifestement antiscientifiques : je fais allusion à la lettre d'un de vos lecteurs, M. XXX, "Le Boeing et la souris", parue dans votre numéro 2972.
Ce lecteur essaie d'expliquer dans sa lettre que la théorie de l'évolution, si magistralement exprimée par Darwin au siècle dernier, ne serait plus aujourd'hui reconnue dans les milieux scientifiques compétents. Cette affirmation, gratuite, est totalement fausse. Il suffit pour s'en convaincre de lire les articles de la presse spécialisée en ce domaine ou - de manière plus abordable - par exemple, les très nombreux livres de vulgarisation de la collection Points-Sciences (Editions du Seuil) traitant ce sujet, notamment les excellents volumes "La Recherche en ..." du CNRS.
Au contraire de ce qu'affirme ce lecteur, la théorie évolutionniste n'a plus guère d'opposants aujourd'hui. En paléontologie, en biologie comparée et dans bien d'autres disciplines du même type, la connaissance des mécanismes intimes de la Nature a été longtemps occultée par le poids des religions qui, toutes et pour des raisons compréhensibles, ne pouvaient se satisfaire que d'une approche créationniste. Darwin a été le grand précurseur en la matière : c'est lui qui a compris avant les autres et qui a donné l'impulsion indispensable à un traitement véritablement scientifique de la question. Que certaines de ses affirmations, encore marquées par le siècle où il vécut, aient vieilli, cela est incontestable mais, et c'est cela le point important, jamais l'évolutionnisme n'a été remis en question par les scientifiques. Le néodarwinisme (ou gradualisme) s'est substitué au darwinisme originel puis a été remplacé (partiellement) par le cladisme. Aujourd'hui, des auteurs comme S.J.Gould parlent en termes "d'équilibres ponctués" mais jamais, au grand jamais, le fondement évolutionniste de ces approches n'a été, je le répète, remis en cause. Il s'agit bien plutôt d'approfondissements, à la lumière de découvertes récentes, notamment génétiques mais pas seulement, de la théorie de l'Evolution de Darwin qui reste le découvreur de tout cela.
J'admets bien volontiers que la Science - ou plutôt les Sciences - ne peuvent plus être considérées (comme au siècle dernier) comme désignant un but à atteindre, le progrès scientifique conduisant l'Humanité souffrante vers un avenir radieux. Cette position dogmatique traduisait une confiance absolue et hors de propos, une sorte de "maladie infantile" de la connaissance scientifique en quelque sorte. En réalité, les Sciences sont un témoignage, à un moment donné, de la connaissance humaine sur le monde dont l'Homme fait partie : on pourrait dire un "état des lieux". Expliquer les fondements et les mécanismes les plus intimes de l'univers, ce n'est, en aucune façon, porter un jugement de valeur sur son organisation et ses raisons ultimes. C'est d'ailleurs toute la grandeur de la connaissance scientifique, un des rares domaines où l'objectivité reste totale. Remise en cause permanente des acquis, réexamen constant des résultats, certes. Il n'en reste pas moins que de grandes assurances demeurent parce qu'incontournables et mille fois démontrées : qui se risquerait à nier la gravitation universelle, même reprécisée par la Relativité Générale d'Einstein ? Il est ainsi de grandes certitudes : l'évolutionnisme est l'une d'entre elles au même titre que nous savons maintenant que la Terre n'est pas plate. Le nier est absurde. Seuls les néocréationnistes (essentiellement d'origine américaine) le font pour des raisons religieuses qui n'ont ici rien à voir avec la Science. Je veux croire que tel n'est pas le but avoué de votre lecteur dont l'exemple (la souris et le Boeing) est des plus farfelus (confusion entre la matière inerte et la matière organique, par essence évolutive) et ne tient absolument pas compte de la pression de sélection exercée sur une durée inimaginable pour l'esprit humain, à savoir des centaines de millions d'années.
En matière scientifique, la discussion est nécessaire et indispensable mais à la condition toutefois de ne pas constamment remettre en question les acquis solides et bien démontrés. Nous n'en sommes plus, que Diable !, au temps où l'on croyait que les étoiles n'étaient que des pierres précieuses accrochées sur une sphère extérieure tournant autour de la Terre ...
Voilà, Monsieur, les quelques réflexions que m'ont inspiré l'étrange lettre de votre correspondant et je souhaitais vous en faire part.
Je profite de ce courrier pour vous féliciter de l'excellence de votre publication et vous prie de croire en l'expression de mes sentiments sincères.

Épilogue

Je n'ai rien à ajouter à cette réponse qui ne fait que résumer ce que je pense depuis toujours. Si ce n'est que, porté par une vague déferlante venue de l'Amérique du nord (et de quelques pays moyen-orientaux), le créationnisme se fait de plus en plus pressant : il est certainement de notre devoir de ne jamais laisser le champ libre à ces adversaires des connaissances scientifiques. Même si l'on doit, comme j'ai voulu le signifier dans mon titre, déclarer après Boileau, « vingt fois sur métier remettez votre ouvrage, polissez-le sans cesse et le repolissez. »
Pour la petite histoire, je n'ai tout d'abord rien reçu de la revue puis, quelques mois plus tard, «Valeurs actuelles» m'a écrit pour me signifier qu'ils ne souhaitaient pas publier ma réponse « ne voulant pas entrer dans la publication d'une polémique jugée trop spécialisée... ». Dont acte.
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# Posté le dimanche 30 décembre 2007 09:55
Modifié le mardi 29 janvier 2008 08:52

DE L'EVOLUTION : les mécanismes de l'Evolution

DE L'EVOLUTION : les mécanismes de l'Evolution
le périple de Charles Darwin autour du monde (sources : www.geopolis-fr.com)


Lorsque, le 27 décembre 1831, il quitta Devonport à bord du navire « le Beagle », Charles Darwin n'avait aucune idée préconçue. Plus encore, comme il l'affirma lui-même, il n'avait aucune notion de ce que ce voyage allait lui apporter. Il aurait pu demeurer toute sa vie un simple gentilhomme fortuné mais la place de naturaliste de bord qu'on lui avait offerte et qu'il eût le bon sens d'accepter en décida autrement : durant les cinquante-sept mois que dura son périple autour du monde, il accumula un nombre incroyable d'observations et d'échantillons qui, une fois de retour, lui permirent de réfléchir sur l'évolution des espèces et d'enterrer définitivement ce qui était alors la croyance commune, le fixisme. Il passa le reste de sa vie à organiser ce qu'il avait observé et donna ses lettres de noblesse à une des plus grandes découvertes de la biologie moderne, le transformisme, c'est à dire l'évolution des espèces au fil des âges géologiques. Conscient de ce que sa découverte allait susciter de réticences et d'oppositions, voire de haine, il différa le plus possible la parution de son livre, « l'origine des espèces » (1859), avant d'en accepter la publication et d'entrer dans l'Histoire. Depuis cette date mémorable, le darwinisme s'est approfondi, amélioré mais l'essentiel demeure : les deux millions d'espèces différentes (effectivement décrites mais il en existe certainement beaucoup plus) qui peuplent notre globe ont toutes une origine commune et seul le hasard a permis avec le temps l'apparition de leur diversité.

1. Constatation de l'évolution
Lorsqu'on observe la descendance immédiate d'un animal, on est frappé par la ressemblance existant entre lui et ses parents, et cela au fil des générations. On a donc beaucoup de mal à comprendre qu'il puisse apparaître des variations risquant par la suite de se maintenir et de transformer durablement l'espèce étudiée : l'explication tient au fait que l'observation est toujours faite à l'échelle d'une (ou plusieurs) vies humaines, un période de temps bien trop courte pour noter le moindre changement. Il est pratiquement impossible de s'imaginer ce que représentent les temps dits géologiques, c'est à dire les millions d'années qui nous séparent du début : l'Humanité proprement dite ne possède un recul que de quelques milliers d'années, un battement de cil à l'échelle de la Vie sur Terre.
Il y a, bien sûr, les fossiles. En étudiant ces squelettes plus ou moins bien exploitables (il est extrêmement rare que les parties molles des animaux disparus soient conservés, voir sujet I,3), on remarque combien les espèces du passé étaient différentes tout en conservant certains liens anatomiques avec les vivantes. Cela ne suffit pourtant pas pour faire la preuve d'un lien de parenté. Après tout, George Cuvier lui-même pensait que ces espèces – qu'il croyait immuables – avaient été crées telles quelles par Dieu avant de subir des extinctions brutales. Pour affirmer qu'il y a eu évolution, il faut donc mettre en évidence un lien de parenté génétique entre les espèces étudiées. Il faut retrouver leur ancêtre commun en identifiant les caractères partagés par chacune d'elle et cet ancêtre, ce que l'on appelle l'homologie. On arrive ensuite à dresser une sorte de « carte » appelée arbre phylogénétique des espèces (qu'on appelle alors « taxons » du point de vue de la « systématique »), carte qui permet de les classer les unes par rapport aux autres. Reste à expliquer le pourquoi de ces évolutions différentes.

2. Les principes de base
Darwin proposa sa théorie au milieu du XIXème siècle. A cette époque, on n'avait aucune idée de l'importance de la génétique, ni même de ce qu'elle était. Le moine autrichien Gregor Mendel – qui travaillait sur les pois – avait bien publié un article résumant ses observations sur la transmission des caractères héréditaires dès 1865 mais ses travaux étaient demeurés inconnus. Ce n'est qu'à l'aube du XXème siècle qu'on redécouvrira les lois de l'hérédité et il faudra encore des décennies pour que celles-ci soient enfin admises. Jusqu'à ce que Watson et Crick décrivent le modèle en double hélice de l'ADN, découverte qui leur valut le Prix Nobel et permit le développement de la génétique moderne. On ne s'étonnera donc pas que Darwin ait, pour une grande mesure, cru à l'hérédité des caractères acquis. Cela ne l'empêcha pas de fonder sa théorie résumée en trois grands principes :
a. les individus – c'est une constatation - sont tous différents les uns des autres : ces différences sont plus ou moins marquées (couleur de la peau, du pelage, des yeux, etc.) et représentent pour un sujet donné ce que l'on appelle le phénotype ;
b. les individus les mieux adaptés à leur milieu sont les plus aptes à survivre et donc à se reproduire : c'est ce que Darwin appelle la « sélection naturelle ». Il veut dire ainsi que certains sujets échappent plus facilement à leurs prédateurs, qu'ils sont moins malades et que, accédant plus facilement à la nourriture, ils vivent plus longtemps, suffisamment en tout cas pour se reproduire. Ces « survivants » peuvent également posséder des caractéristiques qui les rendent plus attirants pour le sexe opposé (en tout cas, dans la reproduction sexuée) et, en copulant davantage, engendrent une plus grande descendance (c'est la sélection sexuelle). Pour tous ces cas, on parlera « d'avantages sélectifs » ;
c. les avantages sélectifs doivent pouvoir se transmettre à la descendance de l'individu qui les possède : c'est un caractère forcément héréditaire et, ce que Darwin ne pouvait que supposer, ce sont les gènes (formant le génotype) qui entraînent le maintien de l'avantage d'une génération à l'autre.

3. mécanismes de l'évolution
On vient de dire que la transformation progressive d'une espèce se caractérise par l'apparition de différences qui se maintiennent, une fois apparues, chez ses descendants. Elle est de nature génétique et apparaît principalement du fait de mutations.
* mutations génétiques
Le fait que l'acquisition d'un caractère nouveau apparaisse – et se transmette – s'explique par plusieurs mécanismes, d'ailleurs parfois liés. On se souvient que lors de la méiose, c'est à dire la formation d'une cellule à partir de la moitié des chromosomes des parents, il existe une recombinaison du matériel génétique : il peut alors exister des erreurs lors de la réplication des gènes. Ces « erreurs » peuvent être ponctuelles (portant sur le code lui-même) ou résulter d'une duplication de ces gènes, voire d'une cassure des chromosomes qui les portent. Ailleurs, il s'agira d'une délétion ou de l'insertion anormale d'une séquence chromosomique. Dans tous les cas, le génotype du descendant sera différent de ce qu'il aurait dû être si la duplication s'était normalement déroulée. Le descendant sera donc doté de caractères différents de ceux de ses parents, caractères qui, si cela constitue un avantage évolutif, seront conservés comme on a déjà eu l'occasion de le dire.
* échange de matériel génétique
Les mécanismes décrits ci-dessus concernent la reproduction sexuée. Les organismes qui n'y ont pas recours verront les différences apparaître par transfert simple de matériel génétique : c'est le cas, par exemple, des virus et des bactéries.
* épimutations
Il s'agit ici de la transmission de différences, non sur l'ADN lui-même, mais sur des groupements chimiques qui lui sont attachés (voir sujet I, 2).
Les mutations que l'on vient de brièvement résumer sont le plus souvent létales, c'est à dire qu'elles perturbent tant le sujet qui les possède que celui-ci n'est pas viable. Elles peuvent également être neutres : les modifications génétiques sont bien inscrites dans le génome mais elles n'ont aucune conséquence visible. Enfin, de temps à autre, une mutation entraîne l'apparition d'un caractère qui apporte un véritable « plus » à l'individu qui en est porteur et ce dernier pourra transmettre à sa descendance un moyen de prendre le dessus sur ses (presque) semblables. A quel rythme ces variations ont-elles lieu ? Comme on va le voir, cela reste encore amplement débattu. Quoi qu'il en soit, une chose est sûre : les modifications du matériel génétique d'un individu relève du hasard et seulement de lui.

4. modifications de la théorie de Darwin
* le Darwinisme originel
Comme on l'a déjà signalé, Darwin ignorait l'origine génétique des mutations et par conséquent des caractères qui y sont liés. Il proposa donc une modification graduelle, progressive des caractères expliquant, par la sélection naturelle, la transformation des espèces au fil du temps. Quelques années plus tard, l'irruption de la génétique va modifier l'approche originelle de la théorie.
* la théorie synthétique de l'évolution
Afin d'intégrer les nouvelles données de la science, dès les années 40, un grand nombre de scientifiques repensèrent la théorie de Darwin dans une approche plus globale intégrant non seulement la génétique mais aussi la paléontologie, la biologie, l'embryologie et la génétique des populations. Dans cette optique, on ne s'intéresse plus uniquement aux individus mais à des groupes d'individus : c'est la fréquence d'une mutation dans une population qui importe. Lorsque cette fréquence devient élevée en raison d'un facteur facilitant (comme, par exemple, un changement du milieu), on arrive alors à la modification de l'espèce. Le point important à prendre en compte est que, comme le soulignait Darwin, c'est la sélection naturelle qui reste à l'œuvre. Pour mieux faire comprendre ce concept, je prend souvent comme exemple le maintien d'une maladie génétique africaine, la drépanocytose. Cette affection génétique induit la formation de globules rouges de mauvaise qualité (entraînant une anémie falciforme). Normalement les individus porteurs de l'affection devraient être éliminés car moins résistants (leur oxygénation est forcément plus pauvre). Sauf que leurs globules rouges anormaux empêchent la transmission du parasite du paludisme, ce qui dans les contrées impaludées leur confère un avantage évolutif... qui disparaît sous les cieux où le moustique est absent !
Signalons aussi, à l'appui du néodarwinisme, le phénomène de dérive génétique qui concerne le fait que si des populations d'une même espèce sont géographiquement longtemps séparées, les différences génétiques qui s'accroissent entre elles finissent par aboutir à la formation de deux espèces distinctes, incapables de se reproduire entre elles.
La théorie synthétique de l'évolution s'est finalement imposée chez la majorité des scientifiques puisqu'elle permet une « relecture » du Darwinisme » par intégration des données génétiques sans en toucher les trois principes que nous avons évoquer plus haut, notamment la sélection naturelle. Reste une question déjà soulevée dans l'article : à quelle fréquence apparaissent ces mutations ? Progressivement et graduellement au fil du temps disent les tenants de cette « synthèse darwinienne ». De façon brutale entrecoupée de longs moments de silence, rétorque S. J Gould.
* la théorie des équilibres ponctués
Stephen. J. Gould, le paléontologue de talent que j'ai eu l'occasion d'évoquer dans un sujet précédent, provoqua la survenue « d'un coup de tonnerre dans un ciel serein » dans le petit monde du néodarwinisme lorsque, en 1972, il cosigna avec Niles Eldredge un article jugé à l'époque iconoclaste. L'idée de ces deux scientifiques part d'une constatation des plus évidentes : lorsqu'on examine les données fossiles, on ne trouve presque jamais de fossiles des formes intermédiaires entre deux espèces que l'on sait apparentées. Cela veut il dire que c'est parce qu'elles n'existent pas ou bien qu'on ne les a pas encore trouvées ? Gould propose une réponse : les transformations des fossiles apparaissent brutalement avant de subsister longuement dans la position d'équilibre alors atteinte. Il évoque donc une transition brutale d'une espèce à une autre (sur quelques milliers d'années ce qui n'est rien en terme de temps) avant un longue phase de statu quo qu'il nomme stase, au cours de laquelle il peut certes apparaître quelques modifications mais qui restent mineures. Il n'y a donc pour lui pas de gradualisme mais des crises évolutives brutales et brèves sur un fond d'immobilité. J'étais un peu trop jeune en 1972 pour avoir vécu l'irruption des équilibres ponctués dans la théorie classique de l'évolution. Toutefois, lorsque je me suis intéressé à cette question une quinzaine d'années plus tard, la polémique faisait encore rage, parfois avec violence. Aujourd'hui, le calme – si je puis dire – est revenu et la plupart des paléontologues adhèrent à la théorie de Gould. On pense même probable que les deux mécanismes (gradualisme et équilibres ponctués) coexistent selon les espèces. De toute façon, à présent que les passions sont retombées, on comprend bien que la théorie ponctualiste de Gould n'est finalement qu'une adaptation de la théorie de l'évolution qui reste intacte pour ses principaux fondements.

5. la théorie de Darwin aujourd'hui
Hormis quelques créationnistes patentés dont l'obscurantisme est d'autant plus virulent qu'ils se situent loin des disciplines scientifiques, plus aucune personne sensée ne remet en question la théorie de l'évolution qui, à proprement parler et depuis longtemps, n'est d'ailleurs plus une simple théorie tant les faits et les idées militent en sa faveur. Darwin, on peut l'affirmer aujourd'hui, a réellement découvert les lois de l'évolution des espèces vivant sur notre globe (et probablement, si elles existent, ailleurs). Je ne peux que reconnaître à cet homme en apparence ordinaire l'importance toute particulière qu'il a pris dans le domaine des sciences du vivant. Il reste à découvrir bien des choses en ce domaine, c'est certain, mais l'essentiel est acquis : le gentilhomme de Shrewsbury, dans le centre-est de l'Angleterre, a sorti cette partie de la science du moyen-âge. Qu'il en soit remercié une fois encore.

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# Posté le samedi 05 janvier 2008 12:49
Modifié le samedi 09 février 2008 12:38