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Les paradoxes de la cosmologie

Publié le 22 mai 2018 par Serdj
La cosmologie, c'est l'étude de la strucure et de l'évolution de l'univers. Il existe plusieurs modèles cosmologiques, c'est à dire plusieurs théories. Ces théories doivent au minimum expliquer les observations, parmis lesquelles le décalage vers le rouge de la lumière émise par les galaxies lointaines, que l'on attribue à l'expansion de l'univers, et le "bruit de fond cosmologique", un très faible signal radio qui semble provenir de toutes les directions et qui fut émis peu de temps après le big bang : Trois cent mille ans, mais c'est peu de choses comparé à l'âge de l'univers.. Ce bruit de fond est incroyablement homogène, et c'est assez étrange. car difficile à expliquer.
La théorie cosmologique la plus communément admise par les chercheurs porte le nom de "modèle standard". C'est une théorie assez élégante, qui explique énormément d'observations astronomiques, mais qui comporte quelques hypothèses ad-hoc, dix-neuf paramètres dont on ne sait pas pourquoi ils ont la valeur qu'ils ont. Simplement, avec ces valeurs, ça marche, et si on les change un tout petit peu, ça ne marche plus.
En outre, il subsiste également quelques phénomènes observables dont le modèle standard peine à rendre compte. Ces phènomènes sont donc des paraxodoxes car si on n'arrivait pas à les expliquer c'est tout le modèle standard qu'il faudrait remettre en cause.
[Pour information, j'ai écrit la première version de cette page en 2006, et depuis, il y a  eu quelques nouveautés, il était donc temps que je la remette à jour. C'est ce que je fais aujourd'hui (mai 2018)]

Un peu de physique

Avant de critiquer le modèle standard , disons quand même qu'il s'appuie sur la théorie "orthodoxe" la plus achevée actuellement de la physique : l'électrodynamique quantique. Cette théorie, conçue par Paul Dirac et complétée par de nombreux physiciens dont Richard Feynmann est remarquable, car elle possède un pouvoir explicatif couvrant un nombre incalculable de phénomènes et pourtant la totalité de ses prédictions ont été confirmées par l'expérience : Aucun contre-exemple n'en n'a été trouvé, sur un domaine d'énergie gigantesque (depuis les particules élémentaires jusqu'aux explosions de super novaes). C'est donc quelque chose à prendre en considération !

L'électrodynamique quantique est née de la fusion de la mécanique quantique, de la relativité restreinte et de la théorie des champs (due à Maxwell).

Pour que vous compreniez bien ce qui va suivre, il me faut introduire quelques notions de physique (désolé, mais je vais essayer de faire simple)

La plupart des idées développées ici le sont dans la BD remarquable de Jean-Pierre Petit, "le chronologicon".

La flèche du temps

Supposons que l'on dispose d'une table de billard sur laquelle on dispose les boules en triangle. Si on prend un photo de la table, puis que l'on tire au boule au milieu du tas de billes et que l'on prend une autre photo après le choc, est-il possible, rien que d'après les photos, de savoir laquelle a précédé l'autre ? En fait, cela semble facile : après le choc, les billes sont réparties un peu partout sur le billard et il est fort peut probable qu'elles se soient retrouvées dans une configuration aussi organisée que la situation de départ : la simple vue des photos suffit donc, si l'on se dit "la configuration la plus organisée correspond à l'état initial".

Si l'on répète un grand nombre de fois l'expérience, on observera que les états finaux "inorganisés" sont beaucoup plus nombreux que les états "organisés". Un tel système, possédant une stabilité statistique est dit ergodique, terme forgé par Ilya Prigogine.

On schématise cela en disant : tout système isolé tend vers son état le plus probable, ce qui est (je vous passe les détails) équivalent au second principe de la thermodynamique. On serait donc tenté d'affirmer que pour classer chronologiquement deux états, il suffit de dire que celui qui a la structure la plus désordonné est postérieur à l'autre.

On lie communément ce phénomène à la croissance irrémédiable d'une grandeur appelée entropie : Si P est la probabilité d'un état, l'entropie S = k Log P, où k est la constante de Bolzmann.

Mais il faut se méfier : parfois la situation la plus organisée n'est pas celle que l'on croit : si je chauffe de l'eau dans une casserole (il faut mettre très peu d'eau et chauffer doucement avec une plaque électrique pour avoir un chauffage homogène !), je pourrais observer l'apparition d'un système tourbillonnaire à maille hexagonale ! On aurait donc créé de l'ordre en chauffant ? L'eau bouillante aurait-elle le pouvoir de faire décroître l'entropie ?

Non, bien sur : cela signifie simplement que cette notion d'entropie ne vaut que pour l'ensemble du système, c'est à dire ici l'ensemble réchaud-casserole-eau-athmosphère ! En fait les cellules dissipatives que l'on observe ont pour effet d'accélérer l'évaporation et donc l'accroissement global de l'entropie.

Autre exemple : si l'on entoure nos boules de billard avec des bandes de velcro, par exemple, elles vont pouvoir rester collées entre elles au moment d'un choc, et des configurations organisées pourraient être postérieures à des configurations inorganisées. C'est ce qui permet la morphogenèse (la création des formes) et c'est ce processus qui est à l'oeuve dans les organismes vivant qui, pour créer leur structure interne organisée, accroissent en fait plus rapidement l'entropie de l'univers extérieur. La vie n'aurait-elle pour finalité que de dissiper toujours plus d'énergie ? Si l'on en juge par cette réalisation remarquable qu'est la bombe atomique, oui !

Bon. Mais alors, la structure de l'univers, d'où vient-elle ? Pour le savoir, remontons le temps : l'univers a environ quinze milliards d'années, ce qui veut dire que nous vivons à l'instant t = 15 milliards d'année. L'univers actuel est très compliqué : il contient des planètes, des étoiles, des galaxies... Essayons t=cent millions d'années. Comment était alors l'univers ? Les astronomes nous disent qu'il était alors parfaitement homogène !

Allons donc ! Comment un univers homogène aurait-il pu évoluer vers ce que nous connaissons ? Comment le temps peut-il s'écouler puisque il ne s'y passe rien ?

Erreur, mon cher Watson : l'univers est homogène mais il se refroidit... En fait, pour décrire totalement un système de particules, la donnée de leurs positions ne suffit pas : nous avons besoin de leurs vitesse ! La vitesse est aussi une information ! (Ainsi pour décrire un système à n particules , la donnée de leurs positions et de leurs vitesse suffit , soit, dans un univers à trois dimensions, 6n quantités. Ce fait est remarquable ; il existe des théories qui nécessitent aussi la donnée des accélérations, mais ces théories ne résistent pas à l'expérience)

Espace des phases et entropie

Les physiciens et les cosmologues ont l'habitude, au lieu de représenter les positions et les vitesses dans deux espaces à trois dimensions, de définir un espace à six dimensions dans lequel la donnée d'un unique point représente à la fois la position et la vitesse d'un "vrai" point matériel (une particule).

Pour comprendre, simplifions :

deux points
Considérons un univers à une seule seule dimension (une simple droite), où deux objets ponctuels s'attirent mutuellement.

Si l'on représente ce système dans un espace des phases (x,u) où x est la position et u la vitesse, on donnant au départ aux particules une vitesse initiale nulle, on obtient le schéma :

phase 1
Les particules s'attirent et commencent à tomber l'une vers l'autre.

phase 2
Ici elles se croisent à vitesse maximale

phase 3
Le mouvement de va-et-vient des charges autour de leur centre se traduira par des trajectoires elliptiques dans l'espace des phases.

Supposons maintenant que l'on aie deux ensembles de particules proches les unes des autres mais présentant des vitesses d'agitation thermique. Ces ensembles vont "tomber" l'un vers l'autre sous l'effet de leur attraction mutuelle :

Les deux nuages s'amalgament en un nuage unique : l'énergie cinétique acquise se redistribue aléatoirement et et résultat est un "échauffement", un étalement selon la dimension des vitesses. Globalement, la surface occupée par le nuage de point est augmentée : Or cette surface, c'est précisément l'entropie. C'est un théorème fondamental (théorème de Liouville) : l'hyper volume des des particules dans l'espace des phases (quelle que soit le nombre de ses dimensions) est proportionnel à l'entropie.

Ensuite, le système va osciller entre deux états, l'expansion spatiale se traduisant par une diminution de la vitesse et réciproquement. Ces oscillations se feront donc à entropie constante (tant que les particules ne se rencontrent pas).

Entropie et univers : Premier paradoxe

L'univers est une espèce d'amibe à 6 dimensions : toutes les particules de l'univers peuvent en effet être considérées comme des points d'un espace des phases à six dimensions.

Nous savons que l'univers se dilate : cette expansion se traduit par une diminution des vitesses.

    Il est vrai que ce n'est pas intuitif, car si l'on regarde l'univers autour de nous on n'observe pas un ralentissement des vitesses moyennes au fil du temps. Ce ralentissement n'en existe pas moins, mais il est actuellement très faible et, en fait, inobservable. Mais faisons un bond en arrière dans le temps jusqu'à un instant proche du début de l'univers, disons t = 1 an. Cet univers primitif est très chaud, tellement chaud que les "vitesses propres" que les particules, pourraient acquérir par le jeu des collisions sont quasi escamotées par la vélocité moyenne due à la très haute température de ce chaudron bouillonnant qu'était le début de l'univers (je fais abstraction ici du fait que la théorie "orthodoxe" stipule que l'univers primitif était non collisionnel ;-) L'univers primitif se refroidit en se dilatant, la vélocité moyenne des particules se ralentit donc. Ce processus est toujours à l'oeuvre aujourd'hui !
Puisque les vitesses diminuent, l'entropie de l'univers reste donc constante.

QUOI ? Mais c'est contraire au second principe de la thermodynamique, tout ça ! Et bien oui ! C'est l' un des paradoxes de la cosmologie actuelle !

Il est d'ailleurs remarquable que ce paradoxe soit si peu mis en lumière dans les présentations "orthodoxes" de la cosmologie, comme si les physiciens en avaient honte !  Il faut dire que le modèle standard ne donne pas d'explication à ce paradoxe... Nous verrons plus loin qu'il existe pourtant une explication séduisante quoique non-standard...

Et non seulement l'entropie de l'univers à une entropie constante, mais de plus elle est maximale, le désordre étant à son comble lors du big bang...

Mais il y a mieux : un second paradoxe !

Pour le comprendre, reprenons notre système de particules : nous avons dit que l'évolution se faisait à entropie constante tant qu'il n'y avait pas de collisions : en effet, ce qui crée du désordre, ce sont les collisions : l'univers primitif ayant une entropie très élevée, il devrait être fortement collisionnel.

Malheureusement, les calculs montrent que l'univers primitif (durant 300 000 ans après le big bang) s'est dilaté si vite que les particules ne pouvaient pas se rencontrer, même à la vitesse de la lumière : Et oui, dans le modèle standard, l'univers se dilate plus vite que la lumière et donc il est non collisionnel...

Aaaaarrrrg ! C'est sérieux, la cosmologie ?

Juste après le big bang

Revenons à notre univers, là où nous l'avons laissé à t=100 millions d'années : si nous nous rapprochons encore de l'instant zéro, la vitesse des particules augmente encore : en fait elles vont toutes presque à la vitesse de la lumière. Or, la relativité (restreinte) nous dit que, à ces vitesses, le temps se ralentit : ce qui fait qu'il est pratiquement impossible de remonter jusqu'à l'instant zéro : les pages du grand livre de l'univers sont de plus en plus fines et il faut en feuilleter un nombre infini pour nous rapprocher du big bang...

Le big bang serait-il un fantasme de scientifiques ?

Actuellement , les deux seules preuves que nous avons de l'existence de ce big bang sont :

  • Le décalage vers le rouge des galaxies lointaines : plus elles sont loin, plus elles s'éloignent vite de nous , comme si nous étions à la surface d'un ballon qui se dilaterait.
  • Le rayonnement thermique cosmologique découvert en 1957 par Penzas et Wilson, ce "bruit de fond" d'ondes radio qui proviennent de toutes les directions de l'univers avec la même intensité (à un dix-millième près) possède le spectre du rayonnement d'un corps noir à la température de 3 degrés absolus : on l'interprète comme le rayonnement émis au moment du big bang, dont la longueur d'onde à grandi en même temps que l'expansion de l'univers.
Nous verrons que d'autres explications que le big bang sont possibles... mais auparavant il nous faut faire encore un peu de physique

Matière et anti matière : le troisième paradoxe

Ce que nous appelons "vide" n'est pas vide ! On sait depuis Dirac que c'est un assemblage de photons et de de "particules virtuelles" de matière et d'anti-matière.

On peut se représenter le "vide" comme une surface carrelée, comme celle de votre salle de bain à ceci près que cette surface est agitée par des ondulations : ce sont les photons, grains de lumière.

    On peut même en principe extraire de l'énergie du vide, grâce à l'effet Casimir : lorsqu'on rapproche dans le vide deux plaques faites d'un matériau conducteur, l'intervalle entre les deux plaques devient à un certain moment trop petit pour que les "ondes de vides" , les photons de grande longueur d'onde, ne puissent exister dans l'interstice : la pression des particules virtuelles issues du "vide" entre les plaques est donc inférieure à la pression des particules situées de l'autre coté, à l'extérieur (cette pression étant posée par définition égale à zéro, le vide entre les plaques a donc une pression négative !) : le résultat est donc une force attractive parfaitement mesurable et dont on peut extraire de l'énergie : malheureusement le système est à usage unique, car une fois les deux plaques collées l'une contre l'autre, il faut dépenser autant d'énergie pour les séparer... Les physiciens ne désespèrent toutefois pas d'arriver à extraire de l'énergie du vide grâce à l'effet Casimir, en remplaçant les plaques par des ondes de pression dans un plasma conducteur, ondes que l'on pourrait annihiler sans dépense d'énergie une fois que l'effet Casimir les aurait rapprochées... Très peu de labos dans le monde étudient cette manière pourtant prometteuse de résoudre nos petit problèmes d'énergie...

Quand deux ondulations suffisamment prononcées se rencontrent, un carreau se descelle et se met à gambader sur la surface de la salle de bain, au grès des ondulations. Ce carreau, c'est la matière et le vide qu'il laisse, c'est l'anti matière.

De plus, le carrelage de la salle de bain-Univers est un peu curieux : les carreaux libres peuvent se déplacer, mais les trous aussi, par le mouvement des carreaux adjacents, qui jouent ainsi au taquin (les électroniciens connaissent aussi cela avec les électrons et les "trous" dans les semi-conducteurs)

Au moment du big bang, le tissu cosmique était tellement turbulent que les carreaux ne tenaient pas en place et valdinguaient dans tous les sens : ce n'était pas le moment de prendre un bain !

Lorsque d'aventure un carreau rencontrait un trou, il s'y réinsérait, re-créant des ondulations qui secouaient les carreaux voisins... mais lorsque la température eut baissé suffisamment, presque tous les carreaux avaient réintégré leur trou, et l'agitation thermique n'était plus suffisante pour les re-décoller sauf rares exception. En fait, on calcule que toute la matière et l'anti-matière auraient du s'annihiler mutuellement.

On pourrait objecter que le phénomène brutal de l'expansion a suffisamment séparé les deux soeurs ennemies en les empêchant ainsi de s'entre tuer ; mais entre-temps, l'univers est redevenu collisionnel : s'il y avait des galaxies de matières et d'anti-matière, elles se rencontreraient de temps en temps et ça ferait un tel barouf qu'on pourrait le détecter à l'autre bout de l'univers : or on n'observe rien de tel.

En fait, il y a un milliard de fois plus de photons dans l'univers actuel que de particules de matière : l'annihilation réciproque a bien failli avoir lieu ; mais s'il reste encore de la matière, où est l'anti-matière qui lui correspond ? Cette question sans réponse (standard) est le troisième paradoxe de la cosmologie!

La solution la plus immédiate de ces paradoxe est la théorie de Jean-Pierre Petit ; mais que cela ne vous dispense pas de regarder les autres !

La mécanique quantique

Pour les physiciens des quanta, l'univers se réduit à l'équation de Schrödinger : Cette équation gouverne l'évolution d'une fonction complexe (c'est à dire de C dans C) dite fonction d'onde et parfois désignée par la lettre psi. L'équation, qui est parfaitement déterministe, explique la variation dans le temps de psi en fonction des énergies des corps en interaction. L'importance de cette équation vient de ce que le carré du module de la fonction psi, qui est un nombre réel compris entre zéro et un, détermine la probabilité qu'une variation d'énergie donnée aie lieu (ou si l'on préfère, la probabilité qu'un événement donné se produise).

Psi est appelée la 'fonction d'onde' car il s'avère qu'on peut composer entre elles des fonctions d'ondes et obtenir des interférences de la fonction d'onde : ce sont ces interférences qui font que la somme de deux énergies n'est pas toujours plus grande que ces énergies !

Ainsi la mécanique quantique permet de prédire statistiquement ce qui peut se produire, mais ne donne aucun indice quand à ce qui va se produire. Pire, il est impossible de savoir ce qui va se produire car dès lors que l'on observe le système, l'observation d'un phénomène produit une "réduction de la fonction d'onde" qui force le système, même s'il est très étendu spatialement, à adopter le comportement qui résulte de l'observation.

(voir la mécanique quantique pour les nuls sur ce site)

Le temps et l'énergie : quatrième paradoxe

A l'équation de shrödinger est associé un temps caractéristique, le temps de plank : ce temps vaut 0,53 . 10-43 secondes. Il est impossible, à l'aide de l'équation de shrödinger de décrire un phénomène ayant une durée inférieure au temps de plank. : le "présent" a une épaisseur finie !

Ceci signifie également qu'il est impossible pour les physiciens de remonter le temps jusqu'au big bang à plus de de 10-43 secondes.

L'univers est fait de photons et de particules de matière. Il y a un milliard de fois plus de photons que de particules de matière. Les particules de matière peuvent réagir entre eux, s'assembler, se séparer, et absorber ou émettre des photons. En fait, matière et lumière ne sont que deux manifestations d'une même entité, l'énergie-matière.

Ceci a une importante conséquence : en physique quantique, à toute matière est associée une onde, et si E est la quantité d'énergie matière de la particule, la longueur d'onde sera donnée par : 

lambda=hc/E
où h est la constante de Plank et C est la vitesse de la lumière.

Ce qui est intéressant, c'est que le paquet d'onde représentant une particule de matière conserve sa longueur d'onde au fil du temps (en effet il doit conserver son énergie), alors que le photon suit l'expansion de l'univers et sa longueur d'onde et s'allonge donc avec le temps. Les deux formes de l'énergie-matière ne vivent donc pas l'expansion cosmique de la même manière.

Il y a encore plus bizarre : comme l'énergie varie comme l'inverse de la longueur d'onde, l'expansion de l'univers traduit une perte continue d'énergie de la part de l'univers ! C'est le quatrième paradoxe de la cosmologie. Au lieu d'un univers à entropie constante et énergie variable, on aurait mieux aimé avoir l'inverse !

galaxie

Qui paye le prix de l'expansion ? Cinquième paradoxe !!

Nous venons de voir que la matière ne semble pas se dilater avec l'expansion de l'univers. En fait, il n'est même pas possible que les galaxies se dilatent, car elles perdraient leur équilibre gravitationnel. Idem pour les amas de galaxies rapprochés. Si bien qu'on aboutit à une image curieuse, et à la limite intenable :

On imagine classiquement que l'expansion de l'univers est comme celle d'un ballon sur lequel on aurait dessiné les galaxies : erreur ! Ce qu'il faut imaginer, c'est que l'on fixe sur le ballon des petites pastilles autocollantes qui sont censées ne pas se dilater au cours du temps :

les galaxies sont des pastilles autocollantes

Évidemment c'est un point de vue intenable, car on ne voit pas ce qui empêcherait les amas de galaxies de se dilater... C'est le Cinquième paradoxe de la cosmologie...


Les Théories alternatives


La théorie de Bohm

L'idée de base de sa théorie réside dans une analyse détaillée de ce que Feynmann appellait le "principal mystère de la mécanique quantique", la célèbre expérience des fentes d'Young dans laquelle on observe qu'une particule manifeste un comportement ondulatoire. Plus précisément, on analyse ce qui se passe quand une "réduction du paquet d'onde" met en relation deux points éloignées de l'espace temps à une vitesse infinie. Lors d'une observation d'un phénomène (un électron passant par une des deux fentes) la fonction d'onde se réduit en effet à zéro immédiatement en tous points de l'espace. C'est le paradoxe dit EPR car il a été analysé la première fois par Einstein, Podowsky et Rosen. L'analyse EPR montre que, bien que la modification de la fonction d'onde soit effectivement instantanée dans tout l'espace, il n'est pas possible de l'utiliser pour transmettre un signal ayant un sens.

D'après Bohm, la réduction du paquet d'onde est un cas limite du aux fluctuations quantiques, mais il est possible de réaliser une réduction "hors équilibre" qui, elle, permet de transmettre un signal plus vite que la lumière. L'idée maîtresse est qu'il existe un champ dit "onde pilote de Bohm" qui pilote cette réduction : cette onde pilote définit un "paysage d'attracteurs fractals" que l'on peut visualiser comme une surface pleine de creux et de montages, et la réduction de la fonction d'onde correspond à la chute d'une bille dans l'un des creux de cette surface. La bille représente un des univers parallèles au sens de l'interprétation "monde multiples" (hugh Everett III) de la mécanique quantique. La bille qui représente notre univers (l'espace des phases) est soumises aux fluctuations quantiques, et tant que l'intensité de l'onde pilote reste faible devant ces fluctuations, la décohérence ou réduction de la fonction d'onde se fait apparemment au hasard.

Cependant il est possible de générer des conditions telles que l'onde pilote soit plus importante que ces fluctuations : dans ce cas, la décohérence correspond à une transition de phase analogue a la transition "classique-quantique" analysée en théorie du Chaos : la situation "décohérence aléatoire" correspond à un Chaos organisé (une avalanche, au sens de la théorie des catastrophes). La fonction d'onde influence l'onde pilote en décrivant le paysage fractal des attracteurs,

Jack Sarfatti, un universitaire californien plutôt allumé qui anime le physics consciousness research group, va plus loin. En effet Son idée est que une théorie quantique de la gravitation nécessite une extension de la mécanique quantique qui prenne en compte le psychisme !

Jack il propose une extension de la théorie de Bohm dans laquelle le "paysage" d'attracteurs exerce une influence en retour sur l'onde pilote. Jack propose une équation que l'on peut simplifier en "onde pilote = un opérateur agissant sur la fonction d'onde et l'onde pilote, analogue à l'équation d'Einstein "tenseur énergie matière = X x tenseur géométrique" où X est la constante d'Einstein. Cette boucle est selon jack une caractéristique de la "conscience universelle" : l'onde pilote, qui s'automodifie est consciente d'elle même !

Il va même encore plus loin en supposant que dans notre cerveau existent des structures appelées microtubules (dont les biologistes connaissent l'existence et le comportement anormal) qui sont en fait des "quantum chips" implémentés biologiquement. Ces microtubules seraient la cause de la conscience. ces idées ne sont pas loin de celles de Roger Penrose, mathématicien génial qui dans son livre (remarquable et que je vous conseille de lire) "l'esprit, l'ordinateur et les lois de la physique" édité en France chez interéditions, arrive par des voies différentes à la même conclusion !

Dernières nouvelles [2018] de récentes expériences de physique des particules ont prouvé que la théorie de Bohm, donc aussi celle de Safatti, sont fausses : Il n'y pas d'onde pilote, il y a pas de "variables cachées" dans la théorie quantique. Exit, donc.


La théorie de Jean-Pierre Petit 
Les paradoxes de la cosmologie

Jean Pierre Petit est astronome à l'observatoire de Marseille. Sa théorie, qui reprend de nombreux éléments dus à Anatoly Sakharov, est très originale.

Elle possède deux volets :

  • Le premier volet explique pourquoi nous ne savons pas où est l'anti-matière : elle est dans un univers jumeau qui interagit avec les nôtre et dont la flèche du temps est opposée...
  • Le second volet s'attaque aux deux premiers paradoxes cosmologiques ; il propose un "modèle de jauge" de l'univers dans lequel le big bang n'est pas nécessaire... Et accessoirement, ce modèle permet de naviguer plus vite que la lumière !

L'idée initiale de Sakharov est que le big bang n'est pas un début, il est seulement l'intersection de deux univers : l'un de ces deux univers est le notre, l'autre possède la particularité d'avoir "une flèche du temps opposée", c'est  à dire que le temps s'y écoule à l'envers. Ce n'est pas une idée aussi folle qu'il n'y  paraît, puisque les équations de base de la physique sont invariantes (elles gardent la même forme) si l'on change t en -t, c'est à dire si l'on inverse la flèche du temps. Les deux univers contiennent des photons, des particules, des anti-particules, etc.
Jean-Pierre Petit va un peu plus loin, en supposant que les deux univers sont en réalités deux "feuillets" d'un mème univers et qu'ils interragissent par la gravitation, et uniquement par la gravitation (c'est plus qu'une supposition : JPP donne les équations qui modèlisent ces interractions, et qui sont des généralisations de la relativité générale d'Einstein, qui donc en est un cas particulier).
Pour le plaisir, voici les deux équations qui donnent les deux métriques de ces deux feuillets d'univers :
Les paradoxes de la cosmologie

L'autre univers est donc invisible pour nous. Mais nous pouvons ressentir ses effets par la gravitation. Dans chaque univers les masses s'attirent, mais entre deux univers, il n'en va pas de même : les masses situées dans  deux univers différents se repoussent entre elles. Et ceci explique bien des choses, en particulier la stabilité des galaxies, leur rotation "anormale", la structure lacunaire de l'univers à très grande échelle, etc.


L'autre idée de Jean-Pierre petit, c'est que, dans chaque univers, les constantes physiques varient avec la taille (croissante) du dit univers, selon des équations "de Jauge" très précises. En particulier, la vitesse de la lumière était beaucoup plus importante dans un passé lointain, ce qui explique l'homogénéité du bruit de fonc cosmologique, entre autres.
On pourra trouver cette théorie en détail dans les comptes-rendus de l'académie des Science de Paris, Tome 284, (23 mai 1977) série A p1315 et Tome 284 (6 Juin 1977) p 1413

Informations supplémentaires sur JPP : www.jp-petit.org ,  où JPP présente la "physique géométrique"

Je vous invite aussi à chercher "JANUS 1" sur youtube.

Les univers jumeaux

Reprenons l'exemple des carreaux de salle de bain : Supposons deux univers, ou si l'on veut deux "feuillets d'univers", constituées chacun de carrelages, mais collés l'un sur l'autre :

<-

-> Au moment du Big bang, les deux feuillets se séparent ; mais sur chaque pavage d'univers certains carreaux sont arrachés et d'autres se trouvent en surépaisseur.

Sur chacun de ces univers, les carreaux en surépaisseur vont se loger dans les emplacements libres. Si la situation est parfaitement symétrique, on retrouvera deux deux salles de bains bien planes.

Mais s'il se produit une brisure de symétrie, il y aura un excès de matière dans l'un des univers, et un excès d'antimatière dans l'autre, qui ne pourront plus s'annihiler.

matière

anti-matière

Evidamment, dans l'un des deux univers, on peut toujours créer en laboratoire des très fortes concentrations d'énergie, au point de desceller un carreau, c'est à dire de créer une paire matière-antimatière. Mais bientôt l'antimatière rencontrera une particule de matière, elles s'annihileront mutuellement. De sorte que la quantité totale de matière reste conservée.

Ce qui est original dans la théorie, c'est que les deux univers jumeaux présentent des parités inversées, la droite dans l'un étant la gauche dans l'autre, et des flèches du temps qui sont en opposition : le futur de l'un est le passé de l'autre !

Les deux univers interagissent par le biais des champs, ce qui provoque des situations curieuses, telles que des particules qui semblent remonter le temps (de telles particules apparaissent dans la théorie des "intégrales de Feynmann" : ce sont toujours des "particules virtuelles", i.e. situées dans l'univers jumeau...

Jean pierre petit se distingue de Sakharov car il pense qu'il n'y avait qu'un seul feuillet d'univers, collé sur lui-même le long d'une sorte de ruban de moebius à trois dimensions.

Il n'y aurait alors qu'une seule flèche du temps, et l'illusion de structure gémellaire naîtrait de la géométrie très particulière de cet univers :
    temps
paradoxes cosmologie
temps

Il n'y aurait aussi qu'une seule espèce de matière, l'anti-matière étant de la matière "vue à l'envers" de la flèche du temps.

S'il existait des ponts entre les deux univers ("trous de vers") nous nous retrouverions chez les rétrochroniens !



Conséquences de la théorie :

  • Naturellement on élimine le troisième paradoxe : l'anti matière est dans l'univers jumeau (ou de l'autre coté" du nôtre)
  • L'énergie totale de l'univers reste constante : on élimine ainsi le quatrième paradoxe..
  • On a ainsi une explication beaucoup plus claire du destin de l'univers
Intéressé par le détail des calculs

NB : Dans son livre récent "on a perdu la moitié de l'univers", JPP donne plus de détails sur la théorie des univers jumeaux et surtout sur ses conséquences remarquables (elle permet entre autres d'expliquer la structure et la dynamique des galaxies, ainsi que le fonctionnement des quasars). Ce livre donne aussi quelques tests réalisables dès aujourd'hui pour la vérifier (mesure de la "constante de hubble" dans différentes directions et surtout à différentes "profondeurs" (distances), on devrait alors s'apercevoir qu'elle présente des variations imputables à l'univers jumeau de la "matière sombre".

Vous trouverez ici des compléments sur ce sujet des univers jumeaux.

Également sur mon site, quelques pages sur une mystérieuse affaire qui a fortement inspiré JPP pour créer ses théories...

Pour expliquer les autres paradoxes, il faut faire appel au second volet de la théorie :

Modèle de jauge de l'univers

On pourra trouver une étude détaillée de ce modèle dans An interpretation of cosmological model with variable light velocity, J.P. Petit, Moderne physics letters A vol 3 n°16 (1988) pp 1527-1532 et Cosmological model with variable light velocity. The interpretation of red shifts : J.P. Petit, Modern physics letters A vol. 3 n°18 (1988) pp 1733-1744 qui est une revue au top niveau mondial.

Pour en finir avec le cinquième paradoxe,, il faudrait que les objets contenus dans l'univers se dilatent avec lui : Or, la taille de ces objets est déterminée par un certains nombres de constantes :

  • La constante de la gravitation G
  • La constante de Plank h
  • La masse du proton m
  • La vitesse de la lumière C
D'où la question : pourquoi ne ferait-t-on pas varier la taille de ces constantes ? Évidemment, elles semblent constantes, mais ne pourraient-elles pas varier, à l'échelle de milliards d'années ?

L'objection standard des physiciens à ceci : "- mais la vitesse de la lumière doit être constante ! c'est un des piliers de la relativité" est tout simplement fausse ! En effet, ce que le grand Albert a écrit, c'est que la constante d'Einstein 

Doit rester constante ; mais cela n'implique nullement la constance de la vitesse de la lumière si G varie...

Autre objection classique : "- si on touche à certaines constantes de la physique, cela aurait des conséquences qui contrediraient les observations". Oui, mais si on les modifie toutes à la fois ?

Partons d'une hypothèse raisonnable : la conservation de l'énergie : cela donne des résultats intéressants car on parvient à trouver des lois de variations des constantes physiques, des Lois de jauge. (nous verrons les équations plus loin).

Donc l'énergie se conserve, mais non la masse, et les objets de l'univers se dilatent avec lui. Tous les objets, c'est dire les photons, les galaxies, les trous noirs, les planètes, les atomes, vous et moi... Pourquoi ne s'en apperçoit-t-on pas ? Faites une expérience : claquez des mains deux fois et annoncez "l'univers vient de doubler de volume" : Personne ne peut s'en apercevoir, car les règles avec lesquelles on pourrait faire des mesures se sont dilatées avec lui ! (toutes les "règles" de toutes les sortes : même la mesure de la distance parcourue par la lumière dans ce laps de temps)

Ainsi la vitesse de la lumière, infinie lors du big bang, décroîtrait avec l'expansion : l'univers primitif serait collisionnel, puisque la vitesse de la lumière y serait très élevée ; (en termes techniques on dit que les horizons des particules croissent à la même vitesse que le rayon de l'univers) : le second paradoxe disparaît.

La masse croît , mais l'énergie mc2 reste constante.

Et le décalage vers le rouge ? On trouve que la constante de temps varie comme t : donc lorsque un photon d'énergie hv émis à un instant proche du big bang arrive sur terre, en gardant la même énergie, on mesure une fréquence v plus faible car h a augmenté : ainsi le décalage vers le rouge n'est pas dû au big bang car il n'y a pas eu de big bang ! le glissement de fréquence dv est proportionnel à la distance de la source : on retrouve la loi de Hubble !

Alors l'univers est il en expansion , oui ou non ? La question n'a plus de sens ! Ce qui compte, c'est de retrouver l'observable, le red shift. On ne peut plus mesurer une quelconque expansion puisque les règles se dilatent en même temps que l'univers... De même, il est impossible de mesurer les variations de h, c, G, etc... car les instruments de mesure "dérivent" parallèlement.

Et l'entropie ? Elle croit avec le temps t : le premier paradoxe tombe !

Bon. Tout cela semble miraculeux, mais quid de la fameuse singularité initiale à t=0 dont ont parle tant ? Et bien, si l'on troque la variable chronologique t contre l'entropie S, la singularité n'existe plus, car ce soit-disant état initial correspond à S = -oo . La question de l'état de l'univers avant le big bang n'a plus de sens. Le temps ne serait pas la bonne variable pour décrire les événements : en lui substituant l'entropie, l'univers devient conformément plat.

Quand au temps de planck, qui vaut sqrt(hG/c5), on trouve qu'il varie ... comme t ! La barrière de Planck disparait...

Un peu de cosmo maths ? voici la justification des calculs


La théorie de Laurent Nottale

Laurent Nottale est physicien au CNRS, à l'observatoire de Meudon.

Sa théorie est une extension de la relativité, la relativité d'échelle, ou relativité fractale. Elle est intéressante à plus d'un titre, car elle permet de faire découler la mécanique quantique de la relativité !

Il s'agit d'une théorie fractale et non différenciable de l'espace temps. Pour la première fois dans l'histoire de la science, L Nottale a découvert des équations qui ne sont pas identiques par renversement du temps. La théorie de la relativité d'échelle conduit à un très grand nombre de prévisions dont certains semblent très "exotiques" (par exemple la quantification des distances des planètes à leur étoile) mais sont pourtant expérimentalement vérifiées !

Ceci dit cette théorie a aussi ses détracteurs qui lui reprochent entre autres un grand nombre d'hypothèses "ad-hoc"...


Ma théorie !

Enfin, je suis bien obligé de me hisser au niveau de ces doctes penseurs pour vous présenter (modestement) ma propre théorie... Mais mon approche est différente : je me suis posé la question savoir ce qui pouvait bien se passer pendant le big bang : Comment  les structures de l'univers ont-elles pu se former ? Au fait, comment naissent les structures ? On verra que la réponse (pas évidente) à cette question simple nous donne quelques indices pour choisir la "bonne" théorie...

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