L`univers est-il ajusté pour nous?

S. Durand
version préliminaire
L'univers est-il ajusté pour nous?
Coïncidences cosmiques, Dessein intelligent ou simple banalité…
L'univers est-il ajusté pour que la vie y apparaisse? Voilà la nouvelle question à la mode! Il
semble bien que oui. Wow, quelle sensation! Bien sûr, cela a conduit à toutes sortes
d'interprétations. Voyons plus précisément de quoi il s'agit.
Les lois de la physique gouvernant l'évolution de l'univers reposent sur deux choses: les
équations, qui contrôlent la façon dont les phénomènes se produisent, et les constantes
fondamentales (se trouvant dans les équations), qui contrôlent l'intensité de ces
phénomènes. Par exemple, la constante gravitationnelle dicte l'intensité de la force de
gravité, la constante nucléaire contrôle l'intensité des réactions nucléaires, etc. Mais voilà,
ces constantes semblent ajustées pour que la vie puisse apparaître et se développer dans
l'univers.
(le paragraphe ci-dessous est à étoffer, il est trop rapide)
L'exemple le plus simple concerne la constante nucléaire. Rappelons que la vie sur la Terre
dépend du soleil, qui est la source de chaleur et d'énergie nécessaire pour que puisse se
développer et survivre tout organisme vivant. Dans l'espace intersidéral, loin de toute étoile,
la température est de - 270 degrés. Bref, sans soleil, point de vie possible. Le soleil, comme
toutes les étoiles, est en réalité une immense bombe thermonucléaire qui explose lentement;
en 10 milliards d'années, pour le soleil. En fait, les étoiles font beaucoup plus que
simplement fournir de la chaleur. En effet, tous les éléments à part les deux plus simples
(l'hydrogène et l'hélium) ont été synthétisés par réaction nucléaire dans le cœur des étoiles
des générations précédentes. Ces éléments (le fer, l'oxygène, le carbone, le calcium, etc; ils
sont une centaine) sont ceux qui forment les molécules, et par conséquent tous les
matériaux inertes et vivants. Lorsque ces étoiles meurent, elles explosent en dispersant dans
l'espace tous les éléments complexes qu'elles ont formés. Par la suite, ces éléments pourront
se rassembler pour former des planètes et éventuellement des êtres vivants. Nous sommes
véritablement des restes d'étoiles explosées.
Les étoiles servent donc à trois choses: 1) tout d'abord produire en leur cœur les éléments
servant à constituer les molécules, qui pourront servir à leur tour à élaborer la vie; 2)
fournir la chaleur aux planètes qui gravitent dans leur entourage pour permettre à la vie d'y
apparaître; 3) fournir cette chaleur pendant assez longtemps pour que la vie puisse se
développer et se complexifier, c'est-à-dire pendant au moins plusieurs millions d'années.
(Concernant le premier point, rappelons qu'au début de l'univers, donc avant la formation
des premières étoiles, il n'y avait que les deux éléments les plus simples, l'hydrogène et
l'hélium,1 et par conséquent rien de possible.)
Or, une petite variation de la constante nucléaire de quelques pourcents, vers le haut ou vers
le bas, altérerait profondément une ou plusieurs de ces conditions. Par exemple, une
1
En fait, aussi un peu de Lithium.
2
augmentation de quelques pourcents de cette constante modifierait la réaction de départ
dans toute étoile,2 et changerait drastiquement toute la séquence des réactions nucléaires
ultérieures: ce qui empêcherait les éléments complexes d'être produits et, de plus,
raccourcirait énormément la vie des étoiles. Au contraire, une diminution de quelques
pourcents empêcherait tous les éléments complexes d'être stables3. Bref, soit les éléments
complexes ne se formeraient plus, soit ils se formeraient toujours mais ils ne seraient plus
stables. Un peu plus généralement, un changement de la constante, même petit, conduirait à
une ou plusieurs des possibilités suivantes: soit les étoiles ne vivent plus assez longtemps
pour que la vie ait le temps d'apparaître et de se développer dans leur environnement, soit
les étoiles ne fournissent plus assez de chaleur, soit les éléments complexes servant à
élaborer la vie ne sont plus synthétisés dans les étoiles, soit ils ne sont plus stables, etc.
Le même genre de raisonnement peut être appliqué à plusieurs autres constantes. (Bien que
ce ne soit pas toutes les constantes qui aient une importance pour la vie.) Par exemple, si la
constante gravitationnelle (ou plus précisément la constante cosmologique) était plus faible,
l'univers n'aurait pas vécu assez longtemps pour que la vie ait eu le temps d'apparaître et de
se développer. Si elle était plus forte, la phase initiale d'expansion de l'univers (appelée
inflation) aurait été trop violente pour permettre la formation des galaxies et des étoiles.
Autre exemple encore, si la constante de la force faible (responsable de certaine forme de
radioactivité) avait été légèrement plus haute, le neutron n'aurait pas été assez stable. Etc.
Bref, si certaines constantes sont à peine légèrement différentes, le schéma évolutif qui a
permis à la vie d'apparaître est complètement chamboulé. En fait, la vie ne peut même pas
exister.
[ Insistons sur le fait que le raisonnement précédent concerne l'apparition des éléments
nécessaires à la vie (éléments complexes et planète) et non la vie elle-même, qui pourrait
être encore plus contraignante. Par conséquent, ces arguments s'appliquent à n'importe
quelle forme de vie, basée ou non sur le carbone, similaire ou non à celle que nous
connaissons, puisqu'il s'agit de la formation des atomes complexes eux-mêmes, c'est-à-dire
ceux constituant n'importe quelle forme le moindrement élaborées. ]
Cela a conduit, on s'en doute, à toutes sortes d'interprétation “métaphysique” réunis sous le
vocable de Dessein intelligent. Une expression signifiant qu'il doit nécessairement y avoir
une intelligence directrice derrière ces coïncidences.
Une petite fable
Voici une petite métaphore. Supposons un sac contenant les 16 lettres suivantes. En fait, 12
lettres et 4 cases vides, les lettres étant: a, a, e, e, i, l, n, n, s, s, u, v (certaines en double
donc). Pigeons au hasard toutes les lettres et mettons-les une à la suite de l'autre. Voici une
2
Le di-proton serait stable et l'hydrogène ne fusionnerait plus en hélium.
Car la répulsion électrique des protons serait plus forte que l'attraction nucléaire nécessaire pour leur
stabilité. Les éléments radioactifs sont justement ceux qui sont trop gros, donc avec une attraction nucléaire
effective trop faible.
3
3
possibilité: « lis nse vae an u ». En voici une autre: « la nes vu sai ne ». Mais en voici une
plus intéressante: « la vie a un sens ». Hum… que conclure?
Quelle est la probabilité d'avoir cette séquence? Environ une chance sur 54 milliards.4 Ce
qui est une probabilité absolument minuscule, vous en conviendrez. Si vous ne tirez qu'une
seule fois les lettres et que vous tombez sur cette séquence, énonçant que la vie a un sens,
vous pouvez conclure deux choses: soit que vous avez été extraordinairement chanceux,
soit (parce que c'est une chance tellement infime) qu'il y a sûrement un principe supérieur
qui a dirigé le processus pour vous permettre d'obtenir ce résultat. En fait, la chance était
tellement petite que vous êtes presque forcé de conclure que le jeu était “arrangé” et que la
signification de la phrase est réelle.
Mais il y a une autre possibilité. Supposons qu'il y a 54 milliards de personnes qui ont
chacune le même petit sac et qui pigent chacune une seule fois les lettres. Alors,
statistiquement, une de ces personnes tirera la séquence “gagnante”. Cette personne ne
sachant pas qu'il y a 54 milliards d'autres personnes ayant fait la même expérience aura
l'impression d'avoir réussi quelque chose de miraculeux, mais dans le fond elle n'a été que
celle qui a tiré la bonne séquence, tandis que 54 milliards d'autres tiraient une séquence de
lettres sans signification. Bref, il y a une différence cruciale entre être la seule personne
dans l'univers tirant les lettres, et être une personne sur 54 milliards faisant l'expérience.
(Voir aussi une version différente de cette fable en encadré.)
Eh bien, c'est exactement la même situation avec notre univers. S'il y avait des milliards
d'univers, chacun avec un choix différent des constantes fondamentales, alors il n'y aurait
aucun miracle au fait que le nôtre comporte les bons ajustements. Et c'est justement ce que
les recherches récentes semblent suggérer: notre univers ne serait pas le seul, et dans
chaque autre univers les constantes pourraient être différentes. Autant les théories
d'unifications (Supercordes, M-theory) que les théories inflationnistes chaotiques
impliquent l'existence d'une multitude, voire une infinité d'univers.5 Cette idée peut sembler
a priori extraordinaire, mais elle n'est que l'équivalent aujourd'hui de la découverte il y a
100 ans que notre galaxie (qu'on croyait unique à l'époque) n'est qu'une galaxie parmi des
milliards. En fait, cela n'est que la suite logique d'une série de “décentrages” réalisés depuis
l'époque de Galilée: notre planète n'est pas unique, notre soleil n'est pas unique, notre
galaxie n'est pas unique, notre univers n'est pas unique…6
En fait, cette multitude de choix de constantes fondamentales est même possible avec un
seul univers, s'il est cyclique. À la fin de son expansion, notre univers pourrait se
4
Plus précisément, une chance sur 15!/24, ce qui est égal à une chance sur 54 486 432 000. Le signe “!” se dit
“factoriel” et signifie: 15! = 15x14x…..x3x2x1. Le calcul est simple: le nombre de possibilités est 16! pour le
nombre de permutations des 16 caractères, divisé par le nombre de permutations redondantes, i.e. des
caractères identiques (lettres et cases vides ), ce qui donne: 16!/(2x2x2x2x4!) = 15!/24.
5
Ces types d'univers “parallèles” sont différents selon les théories. En fait, ce pourrait être tout simplement
des régions découplées de notre propre univers.
6
Toutes sortes d'indices semblent converger vers cette idée d’univers multiples. Ce sera justement le
sujet du prochain article : “Indices pour l'existence d'univers parallèles”.
4
recontracter vers ce qu'on appelle un big-crunch: une fin cataclysmique, un genre d'inverse
du big-bang initial. Ce big-crunch pourrait produire une sorte de rebond (appelé bigbounce) et donner naissance à un nouveau big-bang, donc à un nouvel univers, ou plus
précisément un nouveau cycle dans notre univers. Ce nouveau cycle pourrait lui-même se
terminer en un nouveau big-crunch, produisant un nouveau big-bang, et ainsi de suite.
Notre présent univers ne serait alors qu'un cycle (de plusieurs milliards d'années) d'un
univers éternel. Et dans chaque nouveau cycle, les constantes seraient ajustées
différemment. Nous ne serions alors que dans un cycle qui contient les bons ajustements.7
Bref, si on ne prend pas conscience qu'il y a peut-être des milliards d'univers différents du
nôtre, alors la coïncidence de l'ajustement des constantes semble vraiment extraordinaire et
l'on peut être tenté de conclure que ce n'est justement pas une coïncidence… Mais comme il
y a sûrement des milliards d'univers, alors tout cela n'est que coïncidence sans signification.
***
Attention, la science ne dit pas qu'il n'y a pas d'explication métaphysique à l'existence de
l'univers. Elle dit seulement que les “coïncidences cosmiques” ne permettent pas de
conclure à une telle explication.
Une sélection naturelle cosmologique?
Et cela nous amène à une autre question. Parmi les innombrables univers (ou îlots-univers),
se pourrait-il qu'il y en ait beaucoup plus que le simple nombre dû au hasard qui
contiennent les “bons paramètres” pour que la vie apparaisse? Une sorte de sélection
naturelle cosmique qui sélectionnerait les univers les mieux “adaptés” pour l'apparition de
la vie. Voilà l'idée très originale développée récemment par Lee Smolin.
Les trous noirs, ces fameux “gouffres cosmiques” desquels rien ne peut s'échapper, sont
formés à la mort des étoiles géantes: l'implosion de ces dernières, à la fin de leur vie,
produit un noyau d'une densité inouïe qui empêche tout matière et toute énergie d'en sortir.
En fait, la matière qui s'effondre au centre de ce noyau pourrait “rebondir” (comme pour le
big-crunch), mais comme elle ne peut s'échapper du trou noir, elle rebondirait dans une
région différente de notre univers, hors de notre univers visible, c'est-à-dire dans une région
“déconnectée” de la nôtre: un genre d'univers parallèle, mais dans le sein même de notre
univers. Cette matière en rebond produirait un bébé-univers, c'est-à-dire un nouvel univers
en expansion (un univers-bulle dans notre univers) exactement comme le rebond du bigcrunch peut produire un big-bang.8 En fait, tous les trous noirs formés à la mort des étoiles
formeraient de nouveaux univers en expansion, qui à leur tour pourraient former euxmêmes de nouveaux univers en expansion quand leurs propres étoiles produiraient des trous
noirs, etc. Il y aurait alors toute une série d'univers emboitées les uns dans les autres, avec
7
Un tel big-crunch pour notre univers semble toutefois être écarté pour l'instant selon les données
astronomiques. (Mais cette idée sera importante pour la suite.)
8
Cette idée expliquerait où va la matière qui s'effondre au centre d'un trou noir.
5
une multitude d'embranchements (voir la figure 1). Un peu comme la reproduction des êtres
vivants, il y aurait des générations d'univers, des univers qui se reproduisent mieux que
d'autres, des lignées avec plus ou moins de descendants, etc. Dans chaque nouvel univers,
les constantes auraient des valeurs différentes, mais il s'agirait de petites variations par
rapport à l'univers-parent. Après plusieurs générations, les différences pourraient devenir
très grandes. Étant donné que ce qui caractérise le contenu d'un univers dépend de la valeur
de ces constantes, certains univers pourraient contenir des étoiles (petites, moyennes, ou
grosses), des galaxies (stables ou instables), des planètes (avec ou sans atmosphère),
d'autres choses que nous ne connaissons pas, ou encore rien de tout cela.
Mais le plus extraordinaire dans cette idée est ce qui suit. Pour qu'un univers puisse se
reproduire, il doit contenir des étoiles massives, car ce ne sont qu'elles qui peuvent produire
des trous noirs à la fin de leur vie (et donc, des bébés-univers). Par conséquent, les univers
possédant des étoiles massives auront beaucoup de descendants, qui eux-mêmes auront
beaucoup de descendants, etc. Au contraire, les univers ne possédant pas d'étoiles massives
n'auront pas ou peu de descendants, et ne se reproduiront donc pas. Bref, après un certain
temps, la plupart des univers existants contiendraient beaucoup d'étoiles massives. Mais
voilà, les étoiles massives sont justement celles qu'il faut pour que la vie puisse apparaître!
(Comme on l'a vu, ce sont elles qui produisent les éléments complexes.)9 Cette sélection
naturelle cosmologique, sélectionnant les univers les mieux adaptés à leur reproduction,
sélectionne aussi les univers les mieux adaptés pour que la vie puisse apparaître! La plupart
des univers parmi les milliards existants seront donc adaptés pour que la vie puisse
émerger, c'est-à-dire que leurs constantes fondamentales seront ajustées pour permettre
l'apparition de formes complexes. Bref, parmi toutes les mutations possibles d'univers, la
sélection naturelle cosmologique choisit les bonnes! Il n'y a vraiment plus aucun mystère...
Sur ce, bonne cogitation philosophique…
***
facultatif:
Encore plus fabuleux: la sélection naturelle cosmologique naturelle fait des prédictions
vérifiables par des observations, c'est donc une théorie falsifiable et donc une véritable
théorie scientifique au sens traditionnel du terme. Ce qui est assez extraordinaire étant
donné sa portée quasi-métaphysique! Deux de ses prédictions concernent la masse limite
des étoiles à neutrons et la façon dont les étoiles massives se forment. À ce jour, aucune n'a
été infirmée. Par ailleurs, l'hypothèse du rebond (à la fois au moment de la formation d'un
trou noir et au moment d'un big-crunch) est de plus en plus accréditée par des calculs de
gravité quantique.
9
Les étoiles massives meurent en explosant (ce qu'on appelle des supernovas) en dispersant leurs éléments
complexes dans l'espace, tandis que l'intérieur de l'étoile, lui, implose, pour former un coeur résiduel ultra
dense. Si l'étoile est assez massive, ce cœur sera un trou noir.
6
Figure 1: Une série d'univers s'auto-reproduisant. (Le temps s'écoule vers le haut.) Chaque nouvel
univers-bulle est produit à partir d'un trou noir d'un univers précédent. Certaines lignées sont mal
adaptées et s'arrêtent (extinction), d'autres se reproduisent facilement, survivent très longtemps et
ont beaucoup de descendants.
7
Notes (facultatives)
1) Plus précisément, les lois de la physique sont très contraignantes: pour des raisons de
cohérence interne fondamentale, elles ne peuvent pas être différentes de ce qu'elles sont.
(Par exemple, le fait que dans notre univers nous ne puissions déceler un mouvement à
vitesse constante, implique que la théorie de la relativité restreinte d'Einstein est
nécessairement valide à notre échelle.) Par contre, les constantes, elles, sont totalement
“libres”: leur valeur peut être a priori n'importe quoi.
2) La même chose est vraie concernant le nombre de dimensions de l'univers. Si la
dimension de l'espace est plus grande que 3, aucune orbite stable ne peut exister, donc ni
système solaire, ni atome (classique et quantique). Si la dimension est plus petite que 3, un
organisme complexe ne peut exister: par exemple, les neurones ne pourraient se croiser, ou
un être avec un tube digestif reliant une bouche et un rectum serait divisé en deux morceaux
séparés! (voir la figure 2). Bref, la dimension 3 est très spéciale: elle seule semble permettre
les conditions pour le développement de la vie complexe.10 (Nous parlons ici des
dimensions ordinaires et non de celles, compactifiées, des théories de cordes.)
Figure 2: Un être complexe à deux dimensions ne pourrait exister.
10
En fait, le problème illustré sur la figure 2 est contournable: on pourrait imaginer un organisme qui expulse
ses excréments par le même orifice que celui qui lui permet de manger. Un problème plus important concerne
l'impossibilité du croissement des neurones. En effet, un cerveau complexe nécessite un réseau de neurones
très développé, et il semble impossible de réussir cela sans une multitude de croissements sans contact.
8
Encadré (facultatif)
Voici une fable similaire. Supposons un jeu de loto simplifié: vous devez choisir un nombre
entre 0 et un million. Un nombre est tiré au hasard (par exemple 6 plaquettes qui peuvent
prendre les valeurs 0 à 9). Vous avez donc une chance sur 1 million de gagner (et le prix est
d'un million de dollars). Maintenant, supposez que la veille du tirage, vous receviez un
courriel d'un inconnu vous disant que le numéro gagnant du lendemain est le 358 577. Vous
riez de cela, bien sûr. Mais quelle n'est pas votre surprise de constater le lendemain qu'il
avait raison! Quelques jours plus tard, vous recevez un nouveau courriel du même inconnu
vous annonçant que pour 10 000 $ il vous révèle le nouveau numéro gagnant du prochain
tirage. Que faites-vous? (Il vous explique qu'il a trouvé une faille dans le mécanisme qui
génère les nombres au hasard et qu'il veut partager avec les gens qui lui font confiance,
etc).
Bref, payez-vous le 10 000 $ ? Ou plus précisément, croyez-vous que cette personne
connaisse réellement le prochain numéro gagnant? Il le connaissait bien la première fois…
Voici le truc (qui a été vraiment été utilisé). L'inconnu a simplement envoyé un million de
courriels à un million de personnes différentes, chacune recevant un numéro différent. (Il y
a des petits logiciels qui font cela facilement.) Alors, forcément, puisqu'il a envoyé toutes
les possibilités de numéros, une des personnes recevra le numéro gagnant… Après le tirage,
l'inconnu envoie alors un seul second courriel, à cette seule personne qui avait reçu par
hasard la bonne première réponse!
Si vous êtes cette personne, et si vous ne savez pas que l'inconnu a envoyé un million de
courriels et donc que forcement l'un des destinataires a reçu le numéro gagnant, vous
pouvez vraiment avoir l'impression que cet inconnu peut deviner le futur, que ce n'est pas
de la chance, et vous faire avoir…11
11
Voici un raffinement du truc. Pour simplifier, supposons qu'il y a seulement 1000 numéros différents, donc
une chance sur 1000 de gagner. L'inconnu envoie un courriel à un million de personnes: il y a 1000 personnes
qui reçoivent un certain numéro, 1000 autres qui reçoivent un autre numéro, etc. (1000 personnes x 1000
numéros = un million de courriels.). Par conséquent, 1000 personnes vont recevoir le bon numéro. Par la
suite, à ces 1000 personnes gagnantes, il envoie un second courriel, chacune recevant cette fois un des 1000
numéros différents. Il n'y aura alors qu'un gagnant. Mais ce gagnant aura gagné deux fois de suite! Il sera
particulièrement impressionné par les prédictions de l'inconnu. Si ce dernier lui envoie alors un troisième
courriel lui demandant un montant d'argent pour recevoir le prochain numéro gagnant, il pourrait être très
tenté d'acquiescer…