Coup de gris sur la matière noire : pourquoi les physiciens devraient être plus sceptiques sur le concept star de la physique quantique

Atlantico : Tout d'abord, pourriez-vous faire un état des lieux des questions les plus épineuses en cosmologie en ce moment ?

Aurélien Barrau : La cosmologie, la science de l’Univers, est un remarquable succès. Elle permet de décrire l’histoire du Cosmos entre un milliardième de milliardième de milliardième de seconde après le Big Bang et aujourd’hui de façon essentiellement satisfaisante. En se fondant sur la théorie de la relativité générale, elle rend compte de la dilatation de l’espace - c’est cela qui fait s’éloigner les galaxies - à partir de son contenu.

Il y a néanmoins à mon sens quatre problèmes majeurs :

• Le premier est celui de l’énergie noire. C’est le nom que l’on donne à la cause de la mystérieuse accélération de l’expansion cosmologique découverte il y a une petite vingtaine d’années. Que l’Univers « grandisse » n’est pas étonnant, c’est une conséquence attendue de la relativité. Mais qu’il grandisse de plus en plus vite s’accorde mal avec une gravitation attractive qui devrait jouer le rôle d’une force de freinage ! Ce problème est à mon avis le moins sévère car il reste possible d’en rendre compte en écrivant les équations d’Einstein dans toute leur généralité (avec ce qu’on nomme une « constante cosmologique »).
• Le second est celui de la matière noire. La quai-totalité de la masse « visible » de l’Univers est sous forme d’étoiles. Or on sait, grâce à plusieurs approches indépendantes, que l’essentiel de la masse de l’Univers n’est pas sous forme d’étoiles. Pire, on sait que la majorité de cette matière dite « noire » n’est pas même composée des particules élémentaires que nous connaissons ! C’est un défi immense à la fois pour la cosmologie et pour la physique des particules.
• Le troisième est celui de l’asymétrie matière-antimatière. Quand matière et antimatière se rencontrent, elles s’annihilent. Les lois de la physique étant presque symétriques pour la matière et l’antimatière, il ne devrait pratiquement plus exister que de la lumière dans l’Univers. Or notre simple présence prouve que ce n’est pas le cas ! L’origine de cette « faveur » faite à la matière sur l’antimatière est aujourd’hui une énigme.
• Le quatrième est celui du Big Bang lui-même. Non pas le fait que l’Univers soit en expansion, cela est bien compris et bien expliqué, mais la « singularité » originelle. Au moment du Big Bang, les grandeurs physiques deviennent infinies. Cela signifie que la théorie que nous utilisons ne fonctionne plus. C’est aussi ce qui advient au centre des trous noirs. Il faut un meilleur modèle et c’est un immense défi pour la physique théorique. 

Une des critiques qui revient envers certaines théories en cosmologie est que ces théories sont non seulement non prouvées, mais non prouvables expérimentalement, et qu'elles ne sont donc pas tant fausses que pas scientifiques à proprement parler ? 

D’abord, je crois important de revenir sur un point d’épistémologie générale. En fait, aucune théorie — en sciences de la nature — n’est prouvable. Pour prouver, il faudrait faire toutes les expériences mettant cette théorie à l’épreuve (et il y en a une infinité) et mettre en oeuvre chacune d’elle avec une précision infinie. Il est donc doublement impossible de prouver une théorie : aucun théorie n’a été prouvée et aucune ne le sera jamais. Il est toujours possible que, demain, une nouvelle expérience réalisée avec une meilleur précision infirme notre modèle favori. Mais, naturellement, les théories sont « falsifiables » : elles peuvent être réfutées, c’est-à-dire mises en défaut par une expérience ou observation qui viendrait contredire leurs prédictions. De plus, sans être prouvées, certains théories sont naturellement bien soutenues ou corroborées par des mesures a posteriori qui confirment leurs prédictions.

La critique que vous évoquez, qui d’ailleurs s’adresse généralement moins à des théories cosmologiques qu’à des théories de physique des particules, serait donc plutôt d’être infalsifiables. Si une proposition s’avérait absolument infalsifiable, il serait en effet légitime de s’interroger sur sa scientificité. Je pense néanmoins qu’il faut se garder d’être trop péremptoire sur ce point. D’une part parce que je ne connais aucune proposition actuellement débattue dans la communauté des spécialistes qui soit strictement infalsifiable (c’est-à-dire qu’on ne puisse pas espérer prendre en défaut). D’autre part parce que la science a considérablement évolué dans ses méthodes. L’histoire montre que toutes les grandes révolutions ont fait voler en éclat les manières des pratiquer la science qui la précédaient. Il pourrait donc s’avérer plus dangereux d’être trop conservateur que d’envisager l’éventualité d’un déplacement des frontières du champ scientifique.

S’il s’agit d’un rappel à la prudence, au sérieux, à la rigueur, je ne peux évidemment qu’y souscrire. Il est hélas bien connu que certains penseurs peu scrupuleux se sont parfois emparés de modèles scientifiques sans les comprendre pour utiliser les termes de manière inappropriée ou sous forme de métaphores au sein desquelles ils perdent leur sens. Cela ne saurait d’aucune manière être encouragé. Mais gardons-nous aussi d’interdir toute évolution dans la manière de pratiquer la science : c’est une pensée dynamique par excellence qui réinvente perpétuellement ses propres règles. Nul se sait ce que sera la bonne science de demain. Ne soyons pas trop frileux. La dynamique de la peur est toujours la pire.

Mais Stuart Clark signale que la "matière noire" et "l'énergie noire" qui composeraient 96% de l'univers n'ont jamais été observées, et qu'il y aurait d'autres explications possibles aux phénomènes que la matière noire expliquerait. Par exemple, Mordehai Milgrom du Weizmann Institute en Israel aurait postulé que la force gravitationnelle est un peu plus forte que ce que prédisent les lois newtoniennes aux niveaux extrêmement faibles. Une autre explication que l'"énergie noire" qui pousserait l'expansion de l'Univers serait simplement d'abandonner le postulat que la matière est répartie également dans tout l'Univers. On verrait là un exemple d'un paradigme qui ne semble pas solide, pas prouvé, et qui n'est pas remis en question. Qu'en est-il ?

Soyons clairs. Nos yeux ne sont sensible qu’à une part infime — presque dérisoire —des ondes électromagnétiques. L’immense majorité des ondes de lumière nous sont totalement invisibles. Il serait donc abominablement prétentieux de prétendre que quelque chose n’existe pas au seul motif qu’on ne puisse pas le voir, surtout quant nous disposons par ailleurs d’indications claire de son existence ! Enormément d’objets bien réels d’émettent pas de lumière visible. Signer la présence d’un corps par ses effets gravitationnels est scientifiquement aussi convainquant et signifiant que la signer par son émission de lumière.

De plus, nous avons aujourd’hui beaucoup d’indices fiables et indépendants les uns des autres de l’existence de matière noire (c’est à dire invisible, au moins pour le moment). Ce n’est pas une invention « par plaisir », mais la conséquences de mesures extrêmement précises et nombreuses. Et il faut se rendre compte que cela n’a rien d’étonnant : il serait même plus que suspect que la totalité de ce qui existe soit aisément visible.

Il est néanmoins vrai qu’il était légitime d’étudier également d’autres pistes. C’est ainsi que fonctionne la recherche scientifique : toujours douter. La communauté scientifique a donc, évidemment, envisagé la possibilité que la matière noire n’existe pas vraiment mais que la théorie que nous utilisons pour deviner son existence (en l’occurence la loi de la gravitation qui est sans doute la plus fiable de toute la physique) soit fausse. Il était bon de sonder cette piste, ce que fit en effet Milgrom. Néanmoins, des observations assez récentes montrent que cette approche ne fonctionne pas. Le « lieu » de la masse (le barycentre, plus précisément) ne coïncidant, dans certains amas, avec le lieu de la matière visible, il est impossible de rendre compte de cet état de fait avec une modifications de la gravitation.

A mon sens, l’existence de matière noire est aujourd’hui presque avérée (mais sa nature microscopique est toujours un mystère). Les courbes de rotation des galaxies, le rayonnement fossile, l’évolution des perturbations de densité, et bien d’autres observables encore convergent toutes vers cette conclusion. Et elle ne m’étonne pas : évidemment, tout dans l’Univers n’est pas aisément visible.

Une fois de plus, le paradigme cosmologique n’est en effet pas prouvé. Mais aucun paradigme ne l’a été et aucun ne le sera. C’est même la définition de la science : une pensée de la remise en cause perpétuelle. Chaque modèle sera un jour remplacé par un meilleur modèle. La science ne vise pas l’éternité. Qu’il y ait en effet quelques difficultés ici et là dans le modèle cosmologique me semble au contraire être plutôt un mise en lumière de son caractère éminemment scientifique ! C’est ainsi que procède la biologie, la physique, les sciences de l’ingénieur : travailler un modèle, ne pas passer sous silence ses difficultés, tenter de les résoudre unes à unes… Bien sûr il est possible qu’une révolution voie le jour et, en changeant drastiquement notre manière de voir, résolve de façon inattendue l’énigme de la matière noire. J’en serais personnellement ravi ! Mais rien ne me semble plaider en ce sens…

Concernant l’énergie noire, oui, la situation est différente. Il est possible de rendre compte de l’accélération de l’Univers sans recourir à une nouvelle composante inconnue. A l’heure actuelle toutes les pistes sont envisagées avec sérieux, toutes les approches sont respectées. Et nous construisons des instruments pour connaître la réponse !

Le Multivers semble être la définition d'une théorie non falsifiable expérimentalement. Est-ce que le Multivers n'est pas plus une solution métaphysique à un problème métaphysique--l'explication des constantes universelles et du "problème" du fine-tuning--plus qu'une vraie théorie scientifique ? Et si oui, ou si en partie oui, qu'est-ce que ça dit sur l'état de la physique aujourd'hui ? 

Je ne suis pas d’accord. Le « multivers » est le néologisme par lequel on désigne l’image suivant laquelle il y aurait un grand nombre, peut-être une infinité, d’univers. Il y a, au moins, deux raisons pour lesquelles je pense incorrect de présenter cela comme une théorie non falsifiable.

Premièrement parce que le multviers n’est pas une théorie. Il n’a pas été inventé par goût de la multiplicité ou par désir de jouer avec une posture subversive postmoderne ! Au contraire, il apparaît plutôt comme une conséquence de théories bien définies (par exemple le modèle de l’inflation cosmologique). Ces théories sont tout à fait testables et falsifiables au sens le plus usuel du terme. Si ces théories venaient à être infirmées, toutes leurs conséquences, y compris bien évidemment ces univers multiples, s’effondreraient avec elles. Mais si, au contraire, elles étaient corroborées par les observations il y aurait quelque chose d’incohérent à ne pas tenir compte de cette prédiction. 

Deuxièmement parce que si un modèle prédit l’existence d’un ensemble d’univers, le fait de n’en voir qu’un seul permet déjà de tester statistiquement le modèle, ce qui est usuel en physique. Je m’explique. Imaginons que le grand accélérateur de particules LHC n’ait produit qu’une seule collision. Aurait-on découvert le boson de Higgs ? Certainement pas. Mais aurait-il été impossible d’apprendre quoique ce soit sur la physique des particules ? Ce n’est pas non plus le cas ! Beaucoup de modèles farfelus auraient déjà pu être falsifiés. C’est un peu ce qui se passe dans le multivers : si l’on connait le « paysage » des lois (ce qui est difficile mais non pas impossible en principe), l’observation d’un seul univers met déjà à l’épreuve le modèle tout entier. C’est un cas usuel en physique : on n’observe jamais toutes les prédictions d’une théorie mais seulement un lot réduit de celles-ci. La théorie en question n’en est pas moins scientifique.

Comme vous le faites remarquer, ce multivers offre en effet une solution intéressante au problème de l’ajustement fin des constantes fondamentales de la physique. Pourquoi celles-ci sont-elle si merveilleusement bien adaptées à l’existence de la complexité ? Peut-être tout simplement parce qu’il existe une immense diversité d’univers et que certains de ces univers vont présenter des caractéristique favorables. Parce que nous sommes nous-mêmes des structures complexes, nous nous trouvons nécessairement dans un de ces univers. Il n’y a dans ce raisonnement rien de nouveau ni d'original. De même que notre environnement direct, la Terre, n’est pas du tout représentatif de l’ensemble de l’Univers, il est tout à fait possible que notre Univers ne soit pas représentatif de l’ensemble de l’espace.

Naturellement, il est aussi envisageable que l’image du multivers soit inopportune. Qu’elle ne produise rien d’intéressant dans le long terme. Je pense simplement qu’il faut lui donner sa chance. Notre époque me paraît bien plus dangereuse par sa frilosité intellectuelle que par son audace débridée !

Avec la théorie des cordes, on prétend souvent que le problème est que la théorie, en plus d'être extrêmement complexe et peu "élégante", ne serait pas prédictive, car elle postulerait 10^500 différents univers possible. D'après Peter Woit de Columbia, cela rend la théorie non-prédictive, puisque presque tout phénomène observé ou observable peut rentrer dans la théorie. Dans ce cas, est-ce une théorie scientifique à proprement parler ? 

Bien que travaillant personnellement sur un modèle alternatif à la théorie des cordes (la gravitation quantique à boucles), je trouve ce jugement bien trop sévère. Certes, il y a quelque chose de subjectif dans cette appréciation, mais la théorie des cordes me semble au contraire être particulièrement élégante ! Elle parvient à décrire la totalité des particules et des interactions dans un unique cadre en réinterprétant les objets fondamentaux comme de petites structures filiformes en vibration. C’est remarquable. 

Il est en revanche tout à fait exact que la théorie est peu prédictive. Elle a de si nombreuses « solutions » qu’il est délicat de la prendre en défaut. Néanmoins, elle prédit un certain nombre de choses claires : par exemple, l’espace doit comporter des dimensions supplémentaires, une nouvelle symétrie — dite supersymétrie — doit exister à haute énergie. Ces prédictions sont difficiles à tester et ne sont pas nécessairement propres à la seule théorie des cordes, mais il n’y a là qu’une différence d’ampleur et non de nature avec des situations déjà rencontrées en physique.

Je pense que l’éventuel problème de la théorie des cordes fut d’avoir peut-être été pendant un temps la seule théorie de gravitation quantique étudiée. Il est vrai que voir cette situation perdurer aurait été problématique. Mais en tant que possibilité dans un éventail de modèles, il me semble qu’elle a parfaitement sa place dans l’édifice de la physique contemporaine. Et si sa structure imposait une redéfinition de la manière même de définir la science, je pense que ce serait plutôt bon signe quant à son caractère réellement révolutionnaire. Ce qui manque, évidemment, ce sont des données : c’est simplement une théorie qui s’applique à des échelles de distances et d’énergies que nous ne savons pas aujourd’hui tester. Ce n’est pas une raison pour abandonner la théorie. 

Y'a-t-il un phénomène sociologique de physiciens et cosmologistes qui "se font plaisir" avec des modèles spéculatifs mais qui en réalité n'ont pas de valeur scientifique ?

Cette manière de dire est un peu curieuse ! Il me semble que le problème sociétal auquel nous faisons face en ce moment c’est plutôt que la plupart des gens ne se font pas plaisir dans leur métier ! Que certains parviennent à avoir du plaisir dans leur activité professionnelle m’apparaît comme le contraire d’un problème. Cette manière de penser est même assez révélatrice d’une tendance actuelle : quant une branche professionnelle échappe un peu à la précarité et à la violence généralisée d'un monde du travail qui, littéralement, lamine souvent les vies, au lieu d’en faire un modèle sur lequel prendre exemple pour redonner sens à notre monde, on s’empresse de s’assurer que bientôt elle souffrira autant que les autres !

Les chercheurs travaillent. En moyenne, ils travaillent beaucoup. Sans doute deux fois plus que leurs horaires « statutaires ». Mais ils ont en effet le tort de se faire plaisir en travaillant, d’aimer la liberté et d’être souvent réfractaires à l’autorité. Que cela inquiète me semble justement être ce qui est inquiétant …

Cela dit, je comprends bien que tel n’était pas le sens réel de votre question ! Et, bien entendu, je partage votre avis sur ce que le but de la recherche scientifique est la production de connaissance et de sens et non pas le (seul) plaisir de celui qui la pratique. Certes.

Mais je ne pense pas que les modèles spéculatifs n’ont pas de valeur scientifique. Les avancées scientifiques se font précisément par l’étude de modèles spéculatifs. Il est possible que ceux actuellement étudiés soient mauvais mais c’est ce que nous avons trouvé de mieux … 

De plus, il faut garder à l’esprit que cette recherche très fondamentale et très théorique concerne un nombre extrêmement petit de chercheurs. Il n’y a qu’un nombre ridiculement faible de postes offerts au CNRS et dans les universités sur ces thèmes. Au point que beaucoup de jeunes extrêmement brillants se retrouvent sans emplois après 14 ou 15 ans d’études après le bac. Comprenons bien qu’il ne s’agit pas d’une tendance globale de la recherche mais d’une infime minorité de chercheurs qui explorent des pistes « exotiques ». Je pense que leur existences est absolument nécessaire.

Pour le prix Nobel David Gross, une des raisons pour laquelle la théorie des cordes mobilise tant l'intérêt est "qu'il n'y a aucune autre bonne idée". C'est une explication plus sociologique que scientifique du succès de la théorie. Est-ce fondé ? Si oui, est-ce que ça veut dire qu'il n'y a pas assez de réflexions nouvelles dans la physique actuelle ? Est-ce que le problème dans ce cas-là, alors, ne serait pas un certain conformisme ? 

Avec tout le respect dû à David Gross et à ses magnifiques travaux en physique des particules, je pense qu’il est ici de mauvaise foi. La question ici posée est celle de la conciliation de nos deux grandes théories physiques : la relativité d’Einstein d’une part (qui décrit, schématiquement, l’infiniment grand) et la mécanique quantique d’autre part (qui décrit, schématiquement, l’infiniment petit). C’est un problème extraordinairement difficile. Une des raisons qui permet de comprendre intuitivement cette difficulté est la suivante : en physique quantique, le temps garde son sens usuel, il est un paramètre extérieur alors qu’au contraire, en relativité, le temps n’existe plus. Il y a donc une tension conceptuelle entre les deux approches et les rendre compatibles est le plus grand défi à la physique théorique depuis un siècle.

Incontestablement la théorie des cordes est une piste intéressante. Mais ce n’est certainement pas la seule ! La gravitation quantique à boucles en est une autre, qui réunit une communauté de plusieurs centaines de chercheurs et repose sur une approche plus modeste et peut-être plus fiable. Elle ne fait aucune hypothèse audacieuse, elle ne vise pas à être une « théorie du tout », elle tente seulement de mêler théorie quantique et relativité. Elle conduit à de très beaux résultats en physique des trous noirs et en cosmologie. Le Big Bang disparait et est remplacé par un Big Bounce, un grand rebond. Naturellement, le modèle est lui-aussi difficile à tester mais c’est loin d’être impossible et c’est précisément ce sur quoi je travaille. Polchinski, un très grand théoricien des cordes disait que la théorie des cordes, c’est un peu Microsoft et la gravité à boucle, c’est un peu Apple !

Il y a d’autres pistes intéressantes menées par de très grands scientifiques : la géométrie non-commutative, la triangulation dynamique causale, la géométrodynamique quantique, etc.

Je suis donc en désaccord avec David Gross sur ce qu’il s’agirait de la seule approche prometteuse. En revanche, je pense qu’il a raison de souligner l’importance des effets sociologiques. La science n’est pas que la froide découverte du réel, elle est aussi une lutte d’influence pour tenter d’imposer ses idées face aux adversaires. Et cela, pour le meilleur et pour le pire, a toujours été ainsi.

Plus profondément, y a-t-il des questions épistémologiques à se poser ? Depuis la Révolution scientifique, les critères centraux de la validation des théories scientifiques ont été la falsification et la vérification expérimentale. Est-ce que ce modèle arrive aujourd'hui à ses limites ? Si oui, par quoi le remplacer ? Qu'est-ce qui nous permettrait de dire qu'une théorie est "scientifique" et qu'est-ce qui permettrait de lui donner une validation épistémologique aussi "solide" que la validation par l'expérimentation ? 

Je plaiderais pour la diversité des tentatives dans le respect mutuel. Maintes fois j’ai entendu les physiciens d’une communauté décréter que ceux de l’autre n’étaient même pas de mauvais physiciens mais n’étaient pas des physiciens « tout court » ! De même ai-je lu des philosophes analytiques exprimer un mépris hargneux pour la philosophie continentale, et réciproquement.   Heureusement, ces invectives sont des cas isolés mais il me semble indispensable de veiller à ne surtout pas entrer dans ce jeu délétère. Je militerais pour un équilibre raisonnable. 

Il me semble important de continuer à pratiquer la science telle qu’elle a fait ses preuves. Et, en contrepoint, il me semble également important de ne pas nous interdire des pas de cotés et des explorations hors des sentiers balisés.

La philosophie ne doit pas être en cette matière prescriptive. Elle ne doit pas nous dire ce qu’il faut faire. Je pense qu’il faut autoriser toutes les libertés et envisager toutes les éventualités. Si une nouvelle révolution advenait, elle ne pourrait, par définition, que révéler quelque chose qui ne pouvait pas être prévu avec les vielles idées. Ne soyons pas trop réactionnaires mais demeurons pourtant prudent dans nos explorations subversives …